碳纖維預(yù)型件的快速成型制造省去了傳統(tǒng)手工或自動預(yù)成型工藝的多個步驟（織物切割、堆疊和預(yù)成型），最大限度地減少了設(shè)計(jì)限制（圖 1）。

圖 1：比較工藝流程：連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的傳統(tǒng)預(yù)成型與增材預(yù)成型

由此產(chǎn)生的預(yù)型件可通過 RTM 用樹脂浸漬來制造熱固性復(fù)合材料，或者通過熱成型（如果配制成熱塑性復(fù)合材料）來制造熱塑性復(fù)合材料。增強(qiáng)織物的預(yù)成型是復(fù)合材料成型中成本最高、最具局限性的階段。這種預(yù)加工對最終成本的影響限制了復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展。因此，自動化是這一領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展趨勢。增材預(yù)成型將自動化和數(shù)字化整合到了一個過程中。此外，一些正在開發(fā)的快速成型技術(shù)可以最大限度地優(yōu)化零件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和幾何復(fù)雜性。這在成本和附加值方面，以及在可能的新商業(yè)模式（定制、現(xiàn)場制造等）方面，都產(chǎn)生了巨大的競爭改進(jìn)潛力。

市場和技術(shù)背景

復(fù)合材料行業(yè)幾乎遍布所有工業(yè)領(lǐng)域，年增長率為 5%。它是實(shí)現(xiàn)輕量化的關(guān)鍵因素，而輕量化是交通運(yùn)輸業(yè)的主要驅(qū)動力。生產(chǎn)工藝的發(fā)展使得優(yōu)化生產(chǎn)效率和提高產(chǎn)品性能成為可能。

目前復(fù)材行業(yè)的主要趨勢是：

- 工藝自動化和數(shù)字化（快速成型制造），以提高產(chǎn)量和降低成本；非熱壓罐成型工藝（OOA），如樹脂灌注和 RTM；

- 將熱塑性塑料加工作為生產(chǎn)高性能復(fù)合材料的一種具有競爭力的替代工藝；

- 工業(yè) 4.0：從設(shè)計(jì)到模擬、生產(chǎn)模擬、問題解決和物流問題等復(fù)合材料生產(chǎn)過程的全面數(shù)字化。

在過去幾年中，已有多種技術(shù)（SLS、SLA、FDM、直接擠出等）可用于增強(qiáng)塑料零件的增材制造。熔融沉積成型（FDM）最常用于這些材料。除了打印聚合物材料和增強(qiáng)聚合物材料外，該技術(shù)還可用于打印短纖維（主要是碳纖維）增強(qiáng)聚合物，從而提高最終零件的性能，但還不足以與復(fù)合材料競爭。目前的主要挑戰(zhàn)是如何打印連續(xù)纖維增強(qiáng)材料，以生產(chǎn)出性能與傳統(tǒng)復(fù)合材料制造工藝類似的部件。這對增材制造來說是一個巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樵摷夹g(shù)本身缺乏壓實(shí)性，而且很難在不限制部件幾何復(fù)雜性的情況下實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)膲簩?shí)壓力。

自 2013 年 Markforged 向市場推出第一臺能夠打印基于連續(xù)纖維聚合物結(jié)構(gòu)的 3D 打印機(jī)以來，該領(lǐng)域的發(fā)展一直在持續(xù)。人們提出了各種進(jìn)行集成和打印的方法。隨后，9TLabs 成為首家開發(fā)出制造預(yù)制件而非最終部件的增材制造工藝的公司。

ADDlCOMP 技術(shù)

為了應(yīng)對這種技術(shù)和市場環(huán)境，Tecnalia 正在開發(fā) ADDICOMP 增材預(yù)成型技術(shù)，這是一種基于 FDM 技術(shù)改造的工藝。

開發(fā)工作分以下幾個階段進(jìn)行：

- 開發(fā)涂有聚合物材料的 FDM 可打印連續(xù)纖維絲；

- 根據(jù)浸漬樹脂的特性調(diào)整線材的熱塑性涂層；

-在連續(xù)纖維含量非常高的情況下對線材打印工藝進(jìn)行微調(diào)（65%質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通過 TGA 熱重分析法測量線材）；硬件和軟件；

- 開發(fā)浸漬后工序；

- 開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域。

用傳統(tǒng)方法打印預(yù)成型件，然后進(jìn)行浸漬，可獲得與傳統(tǒng)預(yù)成型工藝相同的機(jī)械性能，但沒有幾何限制，而且是全數(shù)字化的。

3D打印線材發(fā)展

連續(xù)纖維3D打印的線材采用了針對電線行業(yè)進(jìn)行優(yōu)化的傳統(tǒng)擠出工藝。只不過銅絲被碳纖維紗或玻璃纖維絲代替，涂層則根據(jù)制造復(fù)合材料部件所用的基體進(jìn)行選擇。這樣做的目的是使基體（通常是環(huán)氧樹脂）溶解線材涂層，使碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)體裸露出來。隨后，可通過灌注、RTM 等工藝將其與樹脂適當(dāng)浸漬，最終制成具有適當(dāng)纖維比例的部件。

由此產(chǎn)生的線材總直徑為 1.77 毫米（圖 2）。其中的增強(qiáng)體含量高達(dá) 65%。熱塑性聚合物涂覆層是打印增強(qiáng)預(yù)制體的載體，因此在打印時應(yīng)使用足夠的量。用于涂層的材料包括苯氧基熱塑性樹脂，因?yàn)樗鼈兛扇苡诃h(huán)氧樹脂。

圖 2：3D 打印線材：擠出生產(chǎn)的線材（左），成品線材的截面細(xì)節(jié)（右）

熱塑性粘合劑的開發(fā)

熱固性基體/熱塑性粘合劑系統(tǒng)的選擇至關(guān)重要，必須保證基體對纖維的正確浸漬，減少空隙含量。因此，熱塑性涂層（聚碳酸酯或苯氧基）必須與樹脂混溶或不干擾浸漬，最好能作為熱固性基體的加硬劑，從而促進(jìn)這一過程。為此，需要對系統(tǒng)的分子間相互作用進(jìn)行了詳盡的分析和化學(xué)研究，包括相關(guān)的化學(xué)測試（溶解度參數(shù)、接觸角、顯微鏡、熱塑性樹脂混合物的流變特性等）。

連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增材預(yù)成型和生產(chǎn)

為了能夠打印預(yù)成型件（圖 3，左），Tecnalia 開發(fā)了 FDM 技術(shù)本身來打印線材。公司開發(fā)了一種特定的打印機(jī)，對硬件（切割機(jī)制和機(jī)械變化）和軟件（生成帶有切割點(diǎn)的軌跡、切割控制等）進(jìn)行了修改。此外，該公司還研究了增材預(yù)成型工藝和隨后的樹脂浸漬工藝（如 RTM 或真空灌注）的最佳條件。對溫度、固化時間等工藝參數(shù)和其他因素進(jìn)行了分析，以確保最終復(fù)合材料的質(zhì)量。在對這些工藝進(jìn)行評估和選擇后，生產(chǎn)出了單件 RTM 演示器（右圖 3）。

圖 3：預(yù)成型件和由此產(chǎn)生的熱固性復(fù)合材料部件

潛在應(yīng)用領(lǐng)域

通過提供創(chuàng)建高度定制和優(yōu)化的三維預(yù)型件的能力，快速成型技術(shù)為各行各業(yè)帶來了新的機(jī)遇。下面介紹一些最值得關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域。

局部加固、等格網(wǎng)和單元結(jié)構(gòu)

一方面，由于能夠以精確和局部的方式沉積碳纖維，增材預(yù)成型是在零件特定區(qū)域添加增強(qiáng)材料的理想選擇。這可以提高關(guān)鍵部件的強(qiáng)度和耐用性，尤其是在負(fù)載點(diǎn)或易疲勞區(qū)域。

另一方面，等格網(wǎng)是由一系列六邊形或三角形元素組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（圖 4）。這些結(jié)構(gòu)以強(qiáng)度高、重量輕而著稱。增材預(yù)成型技術(shù)可以高效地制造等格網(wǎng)，因此非常適合需要低重量高強(qiáng)度的應(yīng)用。

圖 4：添加式預(yù)成型可用于生產(chǎn)高強(qiáng)度三角形構(gòu)件

集成加強(qiáng)筋和肋條

增材預(yù)成型允許將加強(qiáng)筋和肋條直接集成到預(yù)成型件中（圖 5）。這些元件可提高零件的強(qiáng)度和剛度，而不會顯著增加重量。在飛機(jī)機(jī)翼和航天器結(jié)構(gòu)等需要高強(qiáng)度重量比的應(yīng)用中，這些元件至關(guān)重要。

圖 5：可通過添加式預(yù)成型制造部件的不同示例

熱塑性浸漬預(yù)型件

在某些情況下，預(yù)型件可用作隨后浸漬熱固性基材的基底。這種技術(shù)結(jié)合了熱塑性塑料的易加工性和熱固性塑料的優(yōu)異機(jī)械性能，可制成高性能的復(fù)合材料（圖 6）。

圖 6：自動卷繞單元

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