3D打印技術(shù)也被稱作增材制造技術(shù)( Additive Manufacturing，簡(jiǎn)稱 AM) ，是各式打印工藝的匯稱。3D 打印是以三維數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)工程塑料線材、粉末和樹(shù)脂等特定的材料逐層累積形成三維實(shí)體的快速成型技術(shù)。3D打印技術(shù)的原理是，用一些建模軟件制作對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)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(shí)體。3D打印步驟如圖 1 所示。3D 打印技術(shù)能夠制造任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品且隨時(shí)隨地修改，這是傳統(tǒng)技藝所不能比擬的。

隨著航空航天、汽車(chē)工業(yè)、醫(yī)療器械、電子行業(yè)等領(lǐng)域的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的材料已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前市場(chǎng)需求，這就催生了復(fù)合材料的產(chǎn)生。而將3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料的制造也越來(lái)越受歡迎。根據(jù)IDTechEx報(bào)告稱，到2030年，復(fù)合材料3D打印市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到17.3億美元。

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

2. 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印的發(fā)展進(jìn)程

3D 打印技術(shù)僅有 40 年的發(fā)展歷史，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使這一技術(shù)迅速發(fā)展。為了克服純聚合物 3D 打印性能差的問(wèn)題，采用了不同增強(qiáng)體對(duì)聚合物進(jìn)行增強(qiáng)以提升 3D 打印制件性能。其中，纖維作為增強(qiáng)體的一種，得到了最廣泛的應(yīng)用。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 3D 打印技術(shù)的發(fā)展可以分成兩個(gè)階段: 第一個(gè)階段，向熱塑性聚合物中添加短切纖維以提升復(fù)合材料性能; 第二個(gè)階段，將連續(xù)纖維作為增強(qiáng)體，進(jìn)行復(fù)合材料的 3D 打印。

對(duì)于短切纖維增強(qiáng)復(fù)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(jié)(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(jìn)行3D 打印，改善復(fù)合材料的強(qiáng)度、 剛度、韌性。而在各種 3D 打印工藝中，短切纖維的加入會(huì)影響光敏樹(shù)脂的透明度從而影響 SLA 工藝 成型過(guò)程，SLS 工藝與 DED 工藝成本較高，而 FDM 工藝與短切纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)復(fù)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(jìn)行短切纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 3D 打印的液相沉積模型。復(fù)合材料熔體經(jīng)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(guò)3D打印制造連續(xù)纖維復(fù)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(qiáng)聚合物。由于碳纖維具有高剛度和強(qiáng)度，它主要用作3D打印復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，特別是在航空航天和車(chē)輛領(lǐng)域的應(yīng)用。更重要的是，直徑極細(xì)的1K碳束可以成功的從噴嘴中擠出。3D打印復(fù)合材料中碳纖維的可變束徑（1K、3K等）協(xié)同提高了最終的力學(xué)性能和精度。玻璃纖維相對(duì)便宜并且表現(xiàn)出相當(dāng)好的機(jī)械性能，對(duì)重量和強(qiáng)度要求不高，因此通常用作3D打印復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，尤其是體育行業(yè)。凱夫拉纖維因其輕質(zhì)、耐沖擊的特性，常用于輕質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的3D打印。黃麻纖維被歸類(lèi)為源自植物的天然纖維，用于增強(qiáng)“綠色”復(fù)合材料。盡管超高分子量聚乙烯纖維重量輕、強(qiáng)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(qiáng)材料。

對(duì)于連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的 3D 打印，目前最常見(jiàn)的工藝仍是基于材料擠出原理的 FDM 工藝。如圖 4 所示，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 FDM 工藝的實(shí) 現(xiàn)原理可以分為單噴嘴式與雙噴嘴式。其中，單噴嘴式連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 3D 打印機(jī)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(shí)現(xiàn)浸漬過(guò)程，再通過(guò)噴嘴將浸漬后的連續(xù)纖維層層沉積，這種打印方式原理簡(jiǎn)單但浸漬效果差; 雙噴嘴式連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 3D 打印機(jī)擁有兩個(gè) 獨(dú)立噴嘴，其中一個(gè)噴嘴用于擠出預(yù)先浸漬過(guò)的連續(xù)纖維而另一個(gè)噴嘴用于擠出熱塑性聚合物，這種打印工藝?yán)美w維排布的設(shè)計(jì)，使制件用最少的纖維，達(dá)到更高的強(qiáng)度。

由于傳統(tǒng) 3D 打印垂直逐層打印的特點(diǎn)，需要在打印過(guò)程中打印許多支撐結(jié)構(gòu)，而這些支撐結(jié)構(gòu) 需要在打印后進(jìn)行去除，這一過(guò)程極大地增加了打印過(guò)程的工作量。同時(shí)，在連續(xù)纖維復(fù)合材料的 3D 打印過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)的打印，可以通過(guò)增加打印機(jī)的自由度實(shí)現(xiàn)制件的無(wú)支撐打印。美國(guó) Electroimpact 公司開(kāi)發(fā)了一種復(fù)合材料 3D 打印新技術(shù)，即多自由度機(jī)器人 3D 打印，由一臺(tái)精確操作的機(jī)器人、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和溫控室組成，目前存在的大部分 3D 打印系統(tǒng)其實(shí)僅僅是 2D 平面層層堆積形成三維形狀，而多自由度機(jī)器人3D 打印則可以實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)與更豐富的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，打印頭通過(guò)六維自由度在三維空間中沉積材料，可以實(shí)現(xiàn)纖維的取向與載荷路徑相適應(yīng)，提升制件性能。多自由度機(jī)器人3D 打印的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)3D打印的局限性，將會(huì)給連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的 3D 打印帶來(lái)新一輪技術(shù)發(fā)展。

航空航天主要是新一代戰(zhàn)機(jī)、國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)、新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、火星探測(cè)器等重點(diǎn)裝備的關(guān)鍵零部件逐步應(yīng)用增材制造技術(shù)，解決了諸多過(guò)去難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件成形問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(yī)療領(lǐng)域目前主要是一些輔助醫(yī)療器械、植入物等；還有目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)的活體打印是未來(lái)的重要研究方向。

目前在汽車(chē)上直接制造部件較少，主要還是生產(chǎn)精密鑄造的蠟?zāi)５取?/span>

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 3D 打印技術(shù)解決了傳統(tǒng)復(fù)合材料制造工藝成本高、工藝復(fù)雜等問(wèn)題，但是與傳統(tǒng)復(fù)合材料制造工藝生產(chǎn)的復(fù)合材料構(gòu)件相比，還存在種種問(wèn)題需要解決:

以上三個(gè)問(wèn)題制約了目前纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 3D 打印技術(shù)的應(yīng)用推廣。而對(duì)于未來(lái)纖維增強(qiáng)復(fù) 合材料3D 打印的發(fā)展，預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)如下:

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