纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，涵蓋航空航天、電子、紡織和彈道等行業(yè)。3D打印技術(shù)降低了成本，縮短了生產(chǎn)周期，為這些領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計提供了更大的靈活性和創(chuàng)新空間。例如，在航空航天領(lǐng)域，該技術(shù)已用于制造巨型衛(wèi)星燃料箱；在電子工業(yè)，推動了柔性電子產(chǎn)品的創(chuàng)新；紡織工業(yè)則利用該技術(shù)打印智能紡織品；彈道工業(yè)則提高了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜設(shè)計。這些變革預(yù)示著未來技術(shù)發(fā)展的巨大潛力。3D打印技術(shù)可創(chuàng)造復(fù)雜幾何形狀。借助3D打印機(jī)器人與先進(jìn)工藝，我們能夠直接制造出大型集成部件，無需繁瑣的組裝過程，如圖1（a-d）所示。這些加工上的優(yōu)勢確保了復(fù)合材料在與替代EMIS材料的競爭中，依然保持著成本競爭力。此外，3D打印技術(shù)還具備材料選擇的靈活性，能夠兼容多種基質(zhì)材料。這些基質(zhì)材料涵蓋了廣泛的熱塑性塑料，包括PLA、ABS、PC、PP、PS、PA以及高性能的PEEK等，為制備多功能且易于加工的屏蔽材料提供了豐富的選擇。
圖1 (a) FDM 3D打印機(jī) (b) 3D打印機(jī)器人 (c) 3D打印過程的流程圖(d) 打印樣品
1、航空航天工業(yè)
航空航天工業(yè)（圖2（a-c））極大地受益于3D打印技術(shù)的發(fā)展。該技術(shù)能夠迅速制造具有復(fù)雜工程幾何形狀的產(chǎn)品，成為航空航天部門的理想選擇。這些產(chǎn)品憑借其低產(chǎn)量、卓越的質(zhì)量、輕盈的重量以及耐高溫等顯著優(yōu)勢，贏得了業(yè)界的青睞。
圖2 (A) 由凱夫拉、碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)的熱塑性塑料制成的機(jī)翼;（B）無人機(jī)（UAV）機(jī)翼上無縫連接的碳纖維層壓；(C) 通過3D打印技術(shù)制造的無人機(jī)起落架
通過將連續(xù)纖維融入3D打印流程，能夠創(chuàng)造出高強(qiáng)度重量比的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，這一特性不僅適用于航空航天領(lǐng)域，也廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。納米復(fù)合材料的加入進(jìn)一步提升了復(fù)合材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，同時改善了其分層性能。然而，CFRC（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）在航空航天工業(yè)中以其卓越的高剛度和比強(qiáng)度脫穎而出。采用3D打印技術(shù)制造CFRC已成為制造復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一種高效方法?；厮葜?014年，美國宇航局?jǐn)y手軌道上制造公司，在國際空間站上成功完成了首次太空3D打印研究，期間生產(chǎn)了超過20個純PLA樣本（如圖3(a & b)所示）。時至2020年，西安交通大學(xué)與中國空間技術(shù)研究院的研究團(tuán)隊攜手，在宇宙飛船上成功實(shí)施了中國的首次3D打印實(shí)驗(yàn)（如圖3(c)所示）。受NASA蜘蛛模型構(gòu)想的啟發(fā)（如圖3(d)所示），設(shè)想中的太空機(jī)器人將運(yùn)用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的PEEK復(fù)合材料，構(gòu)建一座壯觀的螺旋結(jié)構(gòu)。此外，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的CMASLab團(tuán)隊更是創(chuàng)新性地設(shè)計并測試了一種由3D打印CFRCs制成的變形無人機(jī)（如圖3(e)所示），該無人機(jī)僅憑變形控制面便能實(shí)現(xiàn)滾動、俯仰和偏航的精準(zhǔn)操控。值得注意的是，高真空環(huán)境、極端溫差以及強(qiáng)輻射等，僅是3D打印技術(shù)在航空航天工業(yè)中必須克服的眾多嚴(yán)苛條件中的一部分。
圖3 （a-b)3D打印制品 (c)用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的PLA復(fù)合材料（d)用于構(gòu)建巨大結(jié)構(gòu)的Spider Fab （e)使用CFRCs進(jìn)行3D打印的無人機(jī)結(jié)構(gòu)件MAS（多層裝甲系統(tǒng)）是一種卓越的防御裝置。該系統(tǒng)巧妙地融合了多種先進(jìn)的合成材料，特別是凱夫拉纖維與鋁合金的運(yùn)用。在探索MAS及其相關(guān)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用時，NFRPC無疑是新材料中最引人注目的亮點(diǎn)之一。作為多智能體系統(tǒng)架構(gòu)中不可或缺的第二層組件，NFRPC展現(xiàn)了其獨(dú)特的價值。研究團(tuán)隊對不同濃度的圖形纖維進(jìn)行了深入研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時，所制成的聚酯復(fù)合材料在承受沖擊后，不僅保持了出色的結(jié)構(gòu)完整性，還展現(xiàn)了卓越的能量吸收性能，使其成為凱夫拉爾纖維的理想替代品。
圖4清晰呈現(xiàn)了彈道硬裝甲系統(tǒng)的基本構(gòu)造示意圖，深刻揭示了這一前沿防御技術(shù)的核心要素。分析棕櫚纖維基NFRPC的彈道性能特征，明確指出復(fù)合材料中棕櫚纖維的體積占比范圍為10%至50%。在彈道學(xué)評估環(huán)節(jié)中，采用7.62毫米口徑彈藥作為基準(zhǔn)測試，以穿透深度為關(guān)鍵衡量標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格驗(yàn)證系統(tǒng)是否符合NIJ標(biāo)準(zhǔn)0101.06的規(guī)范需求。試驗(yàn)結(jié)果顯示，表層覆蓋木薯纖維復(fù)合材料的樣本展現(xiàn)出卓越的防護(hù)效能，強(qiáng)有力地證明了環(huán)保型木薯纖維在防護(hù)體系中的可行性與優(yōu)越性。彈道納米復(fù)合材料領(lǐng)域正成為科研熱點(diǎn)。通過將納米粘土融入基質(zhì)體系，成功制備出性能顯著提升的玻璃-環(huán)氧納米復(fù)合材料。此類材料在遭遇沖擊時，基質(zhì)紗線的拉伸失效與分層現(xiàn)象有效耗散了沖擊能量。引入納米顆粒不僅增強(qiáng)了纖維與基質(zhì)間的粘附力，還優(yōu)化了纖維基質(zhì)的界面結(jié)合性能。特別地，我們還對氧化鋁制成的3D打印鎧裝鋼板進(jìn)行了有效性評估。通過PSD板與DIW板的彈道性能對比，發(fā)現(xiàn)DIW板在抗沖擊性、硬度及彎曲強(qiáng)度等方面均優(yōu)于PSD板，這主要?dú)w因于其較小的晶粒尺寸帶來的韌性提升。
展望未來技術(shù)突破后3D打印在創(chuàng)造個性化盔甲方面的獨(dú)特優(yōu)勢。特別是在材料浪費(fèi)和人力投入方面，3D打印技術(shù)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，更適合于定制化、小批量生產(chǎn)的場景。本概念項目強(qiáng)調(diào)了利用3D打印技術(shù)輕松創(chuàng)建與用戶完美貼合的（硬）防彈衣的潛力，并展示了如何通過簡單方式增強(qiáng)產(chǎn)品的新（復(fù)雜）功能，無需大量投資于新機(jī)械設(shè)備的研發(fā)。3D打印技術(shù)在紡織品領(lǐng)域展現(xiàn)出了多元化的應(yīng)用模式，其卓越的精密設(shè)計與細(xì)節(jié)處理能力，可能使其相較于傳統(tǒng)制造方法具備顯著優(yōu)勢。天然纖維，憑借其獨(dú)特的粗糙質(zhì)感，成為了3D打印材料的理想材料，這一選擇深植于它們各自獨(dú)特的物理屬性之中。研究表明，樣品的毛感、粗糙度、疏水性和潤濕性等特性，均與打印漿料的粘附性能緊密相關(guān)。得益于天然纖維的親水性，打印漿料能夠輕松滲透織物并實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合。特別是羊毛纖維，其表面的粗糙性更是顯著增強(qiáng)了粘附效果。在紡織制造領(lǐng)域引入或?qū)嵤?DP技術(shù)的核心目標(biāo)，應(yīng)聚焦于模擬并優(yōu)化紡織品的關(guān)鍵品質(zhì)特征，包括但不限于柔軟觸感、柔韌性能、強(qiáng)度水平及孔隙度等核心要素。通過運(yùn)用三維編織、針織或織造技術(shù)，我們能夠顯著提升織物的厚度，使螺旋線或纖維在厚度軸上實(shí)現(xiàn)有序排列，從而構(gòu)建出獨(dú)特的三維局部結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)在三維空間內(nèi)所展現(xiàn)出的“3D”特征尤為顯著。盡管這些創(chuàng)新技術(shù)展現(xiàn)出了塑造復(fù)雜三維形態(tài)的巨大潛力，但目前尚無一技術(shù)能夠獨(dú)當(dāng)一面，直接應(yīng)用于服裝的規(guī)?；a(chǎn)。然而，這也為時裝設(shè)計師與功能性可穿戴設(shè)備設(shè)計師帶來了前所未有的機(jī)遇。他們得以擺脫針織、編織等傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的束縛，從3D打印技術(shù)賦予的完全定制化生產(chǎn)能力中汲取靈感，創(chuàng)造出前所未有的設(shè)計作品。
圖6展示了利用不同硬件或紡織品材料通過3D打印技術(shù)制成的時尚服飾作品。具體而言，圖6a與b展示了采用PA（聚酰胺）與SLS（選擇性激光燒結(jié)）技術(shù)制成的印刷時裝作品，其尺寸精細(xì)為（9.5×9.5×3.6mm）。此外，圖6c與d揭示了3D打印技術(shù)在流體可穿戴設(shè)備上的應(yīng)用，這些設(shè)備具備清晰的區(qū)域劃分，能夠產(chǎn)生多樣化的聲音與光影效果；通過將熱塑性聚氨酯（TPU）與SLS技術(shù)結(jié)合，創(chuàng)造出細(xì)密的編織線，模擬出蕾絲般的紋理，用于裙裝設(shè)計；更有甚者，在多材料3D打印技術(shù)（精度高達(dá)16μm）中加入形狀記憶合金（SMA），開發(fā)出能夠響應(yīng)人體動作乃至目光注視的柔性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電復(fù)合材料是指那些具備卓越電導(dǎo)率特性的復(fù)合材料。當(dāng)適量的聚合物樹脂與導(dǎo)電填料，特別是像石墨烯這樣的碳基化合物相融合時，便能打造出導(dǎo)電復(fù)合材料。隨著填料含量的遞增，復(fù)合材料內(nèi)的導(dǎo)電粒子間開始相互作用，構(gòu)建出一條連續(xù)的導(dǎo)電通道，使得電子得以自由流通。此類材料不僅耐腐蝕、質(zhì)輕，還能根據(jù)特定需求進(jìn)行形狀設(shè)計，因此，在某些應(yīng)用場景下，它們能夠有效替代傳統(tǒng)金屬。導(dǎo)電復(fù)合材料的用途廣泛，涵蓋了涂層、電池、傳感器、電極以及電磁干擾屏蔽材料等多個領(lǐng)域。隨著3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展及其在研究、技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域的日益普及，制造商們正逐漸認(rèn)識到這一技術(shù)所帶來的巨大潛力。特別是熔融沉積成型（FDM）3D打印技術(shù)，它使得3D電極的制造既經(jīng)濟(jì)又高效，且其結(jié)構(gòu)與表面積相較于銅、鋁和碳電極展現(xiàn)出更高的靈活性。該打印技術(shù)全自動化且精準(zhǔn)度高，能夠在短短30分鐘內(nèi)完成8個電極的打印工作。圖7所展示的新型打印納米復(fù)合材料中，MEMS、芯片實(shí)驗(yàn)室、工程材料、微流體、組織工程、微電子以及光子學(xué)等領(lǐng)域均展現(xiàn)出了其顯著的價值。針對用于流體傳感和電磁干擾（EMI）屏蔽的2D及3D結(jié)構(gòu)，Serizawa等人報告了通過SC-3D打印技術(shù)生產(chǎn)的高導(dǎo)電性納米復(fù)合組件（電導(dǎo)率高達(dá)5000 Sm-1）的研究成果。他們利用球磨機(jī)將20%的聚乳酸（PLA）與碳納米管進(jìn)行混合，并發(fā)現(xiàn)盡管通過打印機(jī)的小噴嘴擠出高達(dá)40%納米管負(fù)載的復(fù)合材料存在困難，但打印出的納米復(fù)合材料在作為3D支架以阻斷電磁干擾方面，其性能明顯優(yōu)于熱壓固體復(fù)合材料。
圖7 微流體、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、工程復(fù)合材料、微電子和電信五個領(lǐng)域以各種3D打印技術(shù)產(chǎn)生的三維納米復(fù)合材料宏觀和微觀結(jié)構(gòu)圖此外，羅馬尼亞布加勒斯特理工大學(xué)的研究小組成功開發(fā)并測試了一種創(chuàng)新的三維、多層石墨烯生物傳感器。在設(shè)計過程中，科研人員特別重視了傳感器本身及其與界面的兼容性，這對于實(shí)現(xiàn)高靈敏度的葡萄糖檢測至關(guān)重要。研究人員巧妙地將兩親性吡咯單體與葡萄糖氧化酶結(jié)合，并吸附于鉑電極上，通過氧化聚合反應(yīng)，制備出了先進(jìn)的葡萄糖生物傳感器。然而，這類傳感器在遇到內(nèi)源性物質(zhì)（如抗壞血酸和尿酸鹽）和外源性物質(zhì)（如撲熱息痛）時，容易受到顯著干擾，尤其是在0.5 V電壓下，基于過氧化氫電氧化和形狀改變效應(yīng)的傳感器體系中。A comprehensive exploration of 3D printing with fiber-reinforced composites in aerospace, automotive, medical, and consumer industries《FDM熔融沉積3D打印懸垂結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究》《飛機(jī)和導(dǎo)彈的隱形技術(shù)》文章封面圖片來源：3D打印數(shù)字維創(chuàng)中心