復合材料3D打印正在逐漸走向商業化應用

經過多年來的發展，增材制造技術正在對諸多行業產生深刻影響，并且有可能發展成為“第四次工業革命”。以熔融沉積（FDＭ）工藝為基礎使用高分子材料的3D打印技術已經廣泛用于各個領域，展現出了巨大的潛力。不需要模具、可以成型復雜形狀、成型周期短等特點都是其他傳統工藝無法比擬的。

復合材料3D打印工藝的主要優勢在于成本低，周期短，能實現復雜結構復合材料構建的快速制造。目前在航空航天、汽車和防衛等部門都在實施這種技術，以實現靈活開發、不同批量生產和按需交付。

例如，一家希臘的機械加工商為汽車制造了一批3D打印的碳纖維復合材料連接桿。

在基礎3D打印熱塑性材料加入纖維，以碳纖維為例，目前有兩種碳纖維打印方法：短切碳纖維填充熱塑性塑料和連續碳纖維增強材料。其中，切碎的碳纖維填充熱塑性塑料是通過標準熔融沉積（FDM）或SLS打印機進行打印的，其主要組成材料是熱塑性塑料（PLA，ABS或尼龍）與細小的短切碳纖維。

對于短碳纖維增強高分子，理論上纖維長度為0.2至0.4mm，目前FDM和SLS打印的纖維長度在5至10μm。短碳纖維的加入，可以明顯提高部件的力學強度，尤其是拉伸和彎曲強度及模量；同時也提高了部件的尺寸穩定性、以及表面光潔度和精度。但是，一些短纖維增強纖維通過使材料過度飽和來提高強度。這不僅損害了零件的整體質量，而且還降低了表面質量和零件精度。

連續碳纖維制造是一種獨特的打印工藝，其將連續的碳纖維束鋪設到標準FDM熱塑性基材中。連續碳纖維才是真正的增強復合材料強度的關鍵。利用3D打印復合材料部件替代傳統的金屬部件，其優勢在于可以在重量的一小部分上實現類似的強度，所以從效益上來講，這是一種經濟有效的解決方案。

高性能連續纖維增強熱塑性復合材料3D打印技術是以連續纖維增強熱塑性高分子材料，實現高性能復合材料零件直接3D打印，采用連續纖維與熱塑性高分子材料為原材料，利用同步復合浸漬－熔融沉積的3D打印工藝實現復合材料制備與成形的一體化制造。使用這種方法的打印機在打印時，通過FFF擠出的熱塑性塑料內的第二個打印噴嘴鋪設連續的高強度纖維（例如碳纖維，玻璃纖維或凱夫拉）。從而使得增強纖維形成印刷零件的“主干”，產生堅硬、堅固和耐用的效果。

目前市場上已開發出多款連續纖維增強復合材料3D打印機，并建立了3D打印復合材料體系（碳纖維、芳綸纖維增強聚乳酸、尼龍、聚酰亞胺等）。所制備的碳纖維增強PA復合材料纖維體積含量達到42%時，抗彎強度達到560MPa，抗彎模量達到62GPa，是傳統PLA零件的9倍左右。

目前3D打印機的類型和打印技術也開發出很多種，除了熔融沉積（FDＭ）工藝，也稱為FFF（熔融線材制造）之外，還有其他類型。其中包括：CFF（連續線材制造）；ADAM（原子擴散增材制造）；SLS/SLM（選擇性激光燒結/選擇性激光熔化）；DLP（直接光處理）；SLA（光固化立體造型）和粘結劑噴射等。

當今，增材制造領域已經呈爆發式發展，傳統的制造技術如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產品，而增材制造技術則可以以更快、更靈活以及更低成本的辦法進行生產。而且，隨著技術的發展，3D打印正逐漸走向量產化。

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