复合材料3D打印正在逐渐走向商业化应用

经过多年来的发展，增材制造技术正在对诸多行业产生深刻影响，并且有可能发展成为“第四次工业革命”。以熔融沉积（FDＭ）工艺为基础使用高分子材料的3D打印技术已经广泛用于各个领域，展现出了巨大的潜力。不需要模具、可以成型复杂形状、成型周期短等特点都是其他传统工艺无法比拟的。

复合材料3D打印工艺的主要优势在于成本低，周期短，能实现复杂结构复合材料构建的快速制造。目前在航空航天、汽车和防卫等部门都在实施这种技术，以实现灵活开发、不同批量生产和按需交付。

例如，一家希腊的机械加工商为汽车制造了一批3D打印的碳纤维复合材料连接杆。

在基础3D打印热塑性材料加入纤维，以碳纤维为例，目前有两种碳纤维打印方法：短切碳纤维填充热塑性塑料和连续碳纤维增强材料。其中，切碎的碳纤维填充热塑性塑料是通过标准熔融沉积（FDM）或SLS打印机进行打印的，其主要组成材料是热塑性塑料（PLA，ABS或尼龙）与细小的短切碳纤维。

对于短碳纤维增强高分子，理论上纤维长度为0.2至0.4mm，目前FDM和SLS打印的纤维长度在5至10μm。短碳纤维的加入，可以明显提高部件的力学强度，尤其是拉伸和弯曲强度及模量；同时也提高了部件的尺寸稳定性、以及表面光洁度和精度。但是，一些短纤维增强纤维通过使材料过度饱和来提高强度。这不仅损害了零件的整体质量，而且还降低了表面质量和零件精度。

连续碳纤维制造是一种独特的打印工艺，其将连续的碳纤维束铺设到标准FDM热塑性基材中。连续碳纤维才是真正的增强复合材料强度的关键。利用3D打印复合材料部件替代传统的金属部件，其优势在于可以在重量的一小部分上实现类似的强度，所以从效益上来讲，这是一种经济有效的解决方案。

高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术是以连续纤维增强热塑性高分子材料，实现高性能复合材料零件直接3D打印，采用连续纤维与热塑性高分子材料为原材料，利用同步复合浸渍－熔融沉积的3D打印工艺实现复合材料制备与成形的一体化制造。使用这种方法的打印机在打印时，通过FFF挤出的热塑性塑料内的第二个打印喷嘴铺设连续的高强度纤维（例如碳纤维，玻璃纤维或凯夫拉）。从而使得增强纤维形成印刷零件的“主干”，产生坚硬、坚固和耐用的效果。

目前市场上已开发出多款连续纤维增强复合材料3D打印机，并建立了3D打印复合材料体系（碳纤维、芳纶纤维增强聚乳酸、尼龙、聚酰亚胺等）。所制备的碳纤维增强PA复合材料纤维体积含量达到42%时，抗弯强度达到560MPa，抗弯模量达到62GPa，是传统PLA零件的9倍左右。

目前3D打印机的类型和打印技术也开发出很多种，除了熔融沉积（FDＭ）工艺，也称为FFF（熔融线材制造）之外，还有其他类型。其中包括：CFF（连续线材制造）；ADAM（原子扩散增材制造）；SLS/SLM（选择性激光烧结/选择性激光熔化）；DLP（直接光处理）；SLA（光固化立体造型）和粘结剂喷射等。

当今，增材制造领域已经呈爆发式发展，传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而增材制造技术则可以以更快、更灵活以及更低成本的办法进行生产。而且，随着技术的发展，3D打印正逐渐走向量产化。

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