3D打印技術也被稱作增材制造技術( Additive Manufacturing，簡稱 AM) ，是各式打印工藝的匯稱。3D 打印是以三維數據模型為基礎，通過工程塑料線材、粉末和樹脂等特定的材料逐層累積形成三維實體的快速成型技術。3D打印技術的原理是，用一些建模軟件制作對應的三維模型，在切片軟件中將之前建立的模型切成一定厚度的片層，這樣就轉換成了單一的二維圖，然后一層一層地處理，堆放和積累，最后形成三維實體。3D打印步驟如圖 1 所示。3D 打印技術能夠制造任意復雜結構的產品且隨時隨地修改，這是傳統技藝所不能比擬的。

隨著航空航天、汽車工業、醫療器械、電子行業等領域的高速發展，傳統的材料已經無法滿足當前市場需求，這就催生了復合材料的產生。而將3D打印技術應用于復合材料的制造也越來越受歡迎。根據IDTechEx報告稱，到2030年，復合材料3D打印市場規模將達到17.3億美元。

目前市場上的 3D 打印技術的成型方式主要分為黏結劑噴射成型技術(3DP) 、熔融層積成型技術 (FDM) 、光固化成型技術(SLA) 、選區激光燒結技術 (SLS) 、選擇性激光熔融技術(SLM) 以及分層實體制 造技術(LOM) 。這些三維打印技術概述如表1所列。

2. 纖維增強復合材料3D打印的發展進程

3D 打印技術僅有 40 年的發展歷史，科學技術的進步使這一技術迅速發展。為了克服純聚合物 3D 打印性能差的問題，采用了不同增強體對聚合物進行增強以提升 3D 打印制件性能。其中，纖維作為增強體的一種，得到了最廣泛的應用。纖維增強復合材料 3D 打印技術的發展可以分成兩個階段: 第一個階段，向熱塑性聚合物中添加短切纖維以提升復合材料性能; 第二個階段，將連續纖維作為增強體，進行復合材料的 3D 打印。

對于短切纖維增強復合材料的 3D 打印，可以采用多種3D 打印工藝，如光固化( SLA) 、熔融沉積成型( FDM) 、選擇性激光燒結(SLS) 和直接能量沉積( DED) 等。短切纖維成本低，且易于添加到聚合物基體中進行3D 打印，改善復合材料的強度、 剛度、韌性。而在各種 3D 打印工藝中，短切纖維的加入會影響光敏樹脂的透明度從而影響 SLA 工藝 成型過程，SLS 工藝與 DED 工藝成本較高，而 FDM 工藝與短切纖維增強復合材料的成型契合度最高， 且 FDM 工藝最為成熟，成本也低。因此，目前短 切纖維增強復合材料的 3D 打印仍然以 FDM 工藝為 主。下面兩圖為 FDM 成型示意圖和基于 FDM 工藝進行短切纖維增強復合材料 3D 打印的液相沉積模型。復合材料熔體經噴嘴擠出后，由于纖維與噴嘴壁的剪切作用，短切纖維呈一定的取向。

通過3D打印制造連續纖維復合材料，可以用碳纖維、玻璃纖維、凱夫拉纖維、黃麻等天然纖維，以及超高分子量聚乙烯纖維等增強聚合物。由于碳纖維具有高剛度和強度，它主要用作3D打印復合材料的增強材料，特別是在航空航天和車輛領域的應用。更重要的是，直徑極細的1K碳束可以成功的從噴嘴中擠出。3D打印復合材料中碳纖維的可變束徑（1K、3K等）協同提高了最終的力學性能和精度。玻璃纖維相對便宜并且表現出相當好的機械性能，對重量和強度要求不高，因此通常用作3D打印復合材料的增強材料，尤其是體育行業。凱夫拉纖維因其輕質、耐沖擊的特性，常用于輕質復雜結構復合材料的3D打印。黃麻纖維被歸類為源自植物的天然纖維，用于增強“綠色”復合材料。盡管超高分子量聚乙烯纖維重量輕、強度高，但由于其熔化溫度低，需要較低熔化溫度的基體才能兼容，因此很少用作3D打印的增強材料。

對于連續纖維增強復合材料的 3D 打印，目前最常見的工藝仍是基于材料擠出原理的 FDM 工藝。如圖 4 所示，連續纖維增強復合材料 FDM 工藝的實 現原理可以分為單噴嘴式與雙噴嘴式。其中，單噴嘴式連續纖維增強復合材料 3D 打印機基于原位浸漬原理，碳纖維絲在噴嘴腔中與熔融聚合物接觸實現浸漬過程，再通過噴嘴將浸漬后的連續纖維層層沉積，這種打印方式原理簡單但浸漬效果差; 雙噴嘴式連續纖維增強復合材料 3D 打印機擁有兩個 獨立噴嘴，其中一個噴嘴用于擠出預先浸漬過的連續纖維而另一個噴嘴用于擠出熱塑性聚合物，這種打印工藝利用纖維排布的設計，使制件用最少的纖維，達到更高的強度。

由于傳統 3D 打印垂直逐層打印的特點，需要在打印過程中打印許多支撐結構，而這些支撐結構 需要在打印后進行去除，這一過程極大地增加了打印過程的工作量。同時，在連續纖維復合材料的 3D 打印過程中很難實現支撐結構的打印，可以通過增加打印機的自由度實現制件的無支撐打印。美國 Electroimpact 公司開發了一種復合材料 3D 打印新技術，即多自由度機器人 3D 打印，由一臺精確操作的機器人、旋轉平臺和溫控室組成，目前存在的大部分 3D 打印系統其實僅僅是 2D 平面層層堆積形成三維形狀，而多自由度機器人3D 打印則可以實現真正的三維成型。多自由度的打印模式允許更靈活的打印軌跡設計與更豐富的結構設計，打印頭通過六維自由度在三維空間中沉積材料，可以實現纖維的取向與載荷路徑相適應，提升制件性能。多自由度機器人3D 打印的出現打破了傳統3D打印的局限性，將會給連續纖維增強復合材料的 3D 打印帶來新一輪技術發展。

航空航天主要是新一代戰機、國產大飛機、新型火箭發動機、火星探測器等重點裝備的關鍵零部件逐步應用增材制造技術，解決了諸多過去難以制造的復雜結構零件成形問題，實現產品結構輕量化；也有一些太空打印的探索。GE公司在這方面做的比較多。

醫療領域目前主要是一些輔助醫療器械、植入物等；還有目前還無法實現的活體打印是未來的重要研究方向。

目前在汽車上直接制造部件較少，主要還是生產精密鑄造的蠟模等。

纖維增強復合材料 3D 打印技術解決了傳統復合材料制造工藝成本高、工藝復雜等問題，但是與傳統復合材料制造工藝生產的復合材料構件相比，還存在種種問題需要解決:

以上三個問題制約了目前纖維增強復合材料 3D 打印技術的應用推廣。而對于未來纖維增強復 合材料3D 打印的發展，預測發展趨勢如下:

參考文獻：

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