經過多年來的發展，增材製造技術正在對諸多行業(ye) 產(chan) 生深刻影響，並且有可能發展成為(wei) “第四次工業(ye) 革命”。以熔融沉積（FDＭ）工藝為(wei) 基礎使用高分子材料的3D打印技術已經廣泛用於(yu) 各個(ge) 領域，展現出了巨大的潛力。不需要模具、可以成型複雜形狀、成型周期短等特點都是其他傳(chuan) 統工藝無法比擬的。曲軸上的3D打印碳纖維複合材料連接杆
複合材料3D打印工藝的主要優(you) 勢在於(yu) 成本低，周期短，能實現複雜結構複合材料構建的快速製造。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(chan) 和按需交付。
例如，一家希臘的機械加工商為(wei) 汽車製造了一批3D打印的碳纖維複合材料連接杆。打印碳纖維
短切纖維打印與(yu) 連續纖維打印
在基礎3D打印熱塑性材料加入纖維，以碳纖維為(wei) 例，目前有兩(liang) 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(yu) 細小的短切碳纖維。
對於(yu) 短碳纖維增強高分子，理論上纖維長度為(wei) 0.2至0.4 mm，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、以及表麵光潔度和精度。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(jin) 損害了零件的整體(ti) 質量，而且還降低了表麵質量和零件精度。在圖一中沒有分布在整個(ge) 結構中 在圖二中以交叉方式加固由於(yu) 在單一方向上的熱塑性沉積最少 該零件的材料更少但強度更高
連續碳纖維製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複合材料強度的關(guan) 鍵。利用3D打印複合材料部件替代傳(chuan) 統的金屬部件，其優(you) 勢在於(yu) 可以在重量的一小部分上實現類似的強度，所以從(cong) 效益上來講，這是一種經濟有效的解決(jue) 方案。
高性能連續纖維增強熱塑性複合材料3D打印技術是以連續纖維增強熱塑性高分子材料，實現高性能複合材料零件直接3D打印，采用連續纖維與(yu) 熱塑性高分子材料為(wei) 原材料，利用同步複合浸漬－熔融沉積的3D打印工藝實現複合材料製備與(yu) 成形的一體(ti) 化製造。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(nei) 的第二個(ge) 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(cong) 而使得增強纖維形成印刷零件的“主幹”，產(chan) 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複合材料3D打印機，並建立了3D打印複合材料體(ti) 係（碳纖維、芳綸纖維增強聚乳酸、尼龍、聚酰亞(ya) 胺等）。所製備的碳纖維增強PA複合材料纖維體(ti) 積含量達到42%時，抗彎強度達到560MPa，抗彎模量達到62GPa，是傳(chuan) 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(wei) FFF（熔融線材製造）之外，還有其他類型。其中包括：CFF（連續線材製造）；ADAM（原子擴散增材製造）；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(ti) 造型）和粘結劑噴射等。
當今，增材製造領域已經呈爆發式發展，傳(chuan) 統的製造技術如注塑法可以以較低的成本大量製造聚合物產(chan) 品，而增材製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(chan) 。而且，隨著技術的發展，3D打印正逐漸走向量產(chan) 化。
不斷湧現的3D打印創新技術
一家俄羅斯公司向市場上推出了自己的連續碳纖維打印版本稱為(wei) 複合纖維共擠出（CFC）技術。
這家俄羅斯公司起源於(yu) 俄羅斯航天局的一個(ge) 宇宙飛船建造項目，由四位世界航空航天領域頂尖的複合材科學家於(yu) “俄羅斯矽穀”——斯科爾科沃創新中心聯合創立。初創團隊經過不斷的探索與(yu) 研究，成功地攻關(guan) 了連續纖維3D打印這一世界性的技術難題，並開發出了獨特的CFC複合纖維共擠技術，且順利向市場推出了桌麵級和工業(ye) 級的連續纖維3D打印設備。
與(yu) CFF不同，其預浸料具有一個(ge) 輸入和一個(ge) 輸出，CFC使用兩(liang) 個(ge) 輸入和一個(ge) 輸出。一個(ge) 輸入專(zhuan) 用於(yu) 增強纖維，另一個(ge) 輸入用於(yu) 熱塑性塑料。幹纖維被送入係統中，並在其中浸入液態的熱固性樹脂。在印刷過程中，熱固性材料與(yu) 傳(chuan) 統的熱塑性長絲(si) 固化並一起擠出。然後，滲透到增強纖維中的熱固性基體(ti) 與(yu) 長絲(si) 粘合。
結果，不僅(jin) 很少有機會(hui) 在預浸料中引入氣泡或空隙，而且還開拓了CFC可以使用的多種熱塑性塑料（到目前為(wei) 止，PETG，ABS，PC，PLA和PA）。還可以在CFC中控製沉積速率，以生成有趣的結構和特性，這些特性和特性是傳(chuan) 統複合材料製造所無法實現的，例如晶格形狀。在傳(chuan) 統情況下，將一根碳絲(si) 束穿過另一束碳絲(si) 束時，該區域的厚度將增加一倍。使用CFC，可以減少擠出的熱塑性塑料，同時仍然沉積碳纖維，從(cong) 而減少該區域的塑料量。
反過來，這增加了所謂的“纖維體(ti) 積比”，相對於(yu) 複合材料的總體(ti) 積而言，存在的纖維增強量。較高的纖維體(ti) 積比通常意味著改善的機械性能。因此，由於(yu) 這些碳纖維以3D打印的晶格結構縱橫交錯，因此纖維體(ti) 積比和強度均增加。
在航空航天領域，工程師尋求的纖維體(ti) 積比率最高為(wei) 60％左右。但是，使用其他碳纖維3D打印技術時，該比率接近30％至40％。沒有晶格結構，CFC可以達到約45％，在碳纖維重疊的點上，該比率增加了一倍，即比傳(chuan) 統複合材料更強。
在編織碳纖維中，多層單向纖維交錯交錯以模擬各向同性，最終以犧牲多餘(yu) 材料為(wei) 代價(jia) 提供全向強度。但是，使用CFC時，僅(jin) 在必要時可以增加材料和強度。因此，這家公司強調碳纖維的各向異性是一種優(you) 點，而不是一種弱點，這項目技術被命名為(wei) “ Anisoprint”。
Anisoprint已經推出了其生產(chan) 規模的CFC係統。該係統具有600 mm x 420 mm x 300 mm的構建體(ti) 積，該係統具有可打印PEEK和PEI的加熱構建室，並且可以進行自動化校準和其他生產(chan) 質量功能。借助四個(ge) 可互換的打印頭，除碳纖維外，它還將能夠結合不同的複合材料。該係統還將配備用於(yu) 優(you) 化晶格結構打印的軟件。
實現商業(ye) 化應用的3D打印
美國初創公司AREVO最近的發展勢頭迅猛。2020年6月初，AREVO宣布，他們(men) 已經開始建設一個(ge) 世界上最大的高速連續碳纖維增強聚合物複合材料增材製造工廠，以製造即服務的模式來運營，規模化快速生產(chan) 定製產(chan) 品。連續碳纖維增強聚合物複合材料的強度重量比是鋼的60倍以上，可用於(yu) 專(zhuan) 業(ye) 級自行車、一級方程式賽車和最新一代戰鬥機等產(chan) 品。
AREVO甚至聲稱，“在碳纖維自行車車架領域，隨著3D打印技術的進步，成本結構將發生轉變；三年後，中國工廠碳纖維自行車車架的手工製造將被淘汰！”
Arevo公司利用其專(zhuan) 利軟件算法、碳纖維材料和機器人3D打印技術，實現複合材料部件生產(chan) 的製造即服務。相關(guan) 人員表示：“我們(men) 的係統完全省去了手工勞動和烘箱固化的步驟，通過我們(men) 的軟件和全自動機器人3D打印機，我們(men) 可以快速製造碳纖維製品。”
傳(chuan) 統的複合材料自行車車架，需要18個(ge) 月的時間來設計和投入生產(chan) ；但連續纖維3D打印技術可以將時間縮減到幾周。車架製造商通過打樣試錯，建立超過20次的設計迭代。當他們(men) 確定一個(ge) 設計時，就手工製造一個(ge) 原型車，騎上去，然後改變設計；如此重複。工廠製造的複合材料車架是由27到30個(ge) 不同的零件手工製作而成，最後粘合在一起。而Arevo的係統，所有的設計工作，包括分析和優(you) 化，都可以通過軟件來完成的，大大降低研發成本；同時3D打印一個(ge) 整體(ti) 單一部件，連續纖維智能放置在車架內(nei) ，提供前所未有的結構完整性和穩定性。
Arevo還在研究其他一些應用，包括自行車和滑板車的車輪。用於(yu) 運輸包裹的商用無人機製造商對複合材料的輕量化很感興(xing) 趣，還有網球拍和溜冰鞋（用於(yu) 連接金屬葉片和靴子的結構）在內(nei) 的運動設備製造商。航空航天、建築和汽車領域等其他戰略應用也在開發中。
此外，2021年1月，致力於(yu) 將複合材料3D打印自行車和電動自行車商業(ye) 化的公司，已經出貨了第一輛自行車。這是一個(ge) 重要的裏程碑，因為(wei) 它是首批投放市場的連續纖維增強複合材料3D打印消費產(chan) 品之一。
麵向複雜或精密結構的連續纖維3D打印技術
美國南卡羅來納大學航空航天創新與(yu) 研究中心的研究人員與(yu) TIGHITCO和英格索機床公司合作，開發了用於(yu) 高度專(zhuan) 業(ye) 化和要求苛刻產(chan) 品的連續纖維增強3D打印技術。該技術是一種熔融長絲(si) 製造（FFF）方法，團隊已開發出了熱塑性複合長絲(si) 和機器人3D打印係統。係統將由英格索生產(chan) ，使用配備有連續纖維沉積末端執行器以及西門子控製係統的工業(ye) 機器人平台，提供七個(ge) 自由度。團隊開發技術的宗旨是，不希望用大型打印頭打印需要大量後處理的大型圖案，而是僅(jin) 需最少後處理的打印。
團隊認為(wei) 該技術非常適合三種應用。首先是航空應用中的小批量製造，例如每架無人機或小型航空器僅(jin) 需要一個(ge) 特定高強度組件的應用，使得模具或芯軸難以成本劃算。其次是高度複雜的結構，比如加強網格，利用其他製造方法無法產(chan) 生所需的強度質量比和剛度質量比。第三種是套印，這是一種在打印過程中插入組件並由此完全嵌入打印零件中的技術，可以實現零件整合。
套印的例子包括在螺紋嵌入圈周圍打印，而不是通過打印後處理來添加它；或者在打印零件中嵌入RFID芯片或電子傳(chuan) 感器。自動絲(si) 束鋪放（AFP）的機身僅(jin) 具有最小程度的集成，許多較小的部件用螺栓固定。而這項技術的亮點在於(yu) ，如果使用熱塑性塑料製造複合材料零件，每次就是通過套印重新熔化以增加新部件。消除鉚釘、緊固件和粘接劑可以顯著改善這些航空結構。
連續複合材料公司是連續纖維增強3D打印的先驅，2012年獲得了全球最早的工藝專(zhuan) 利——CF3D。公司預計有一天該技術將用於(yu) 按需打印整架飛行器結構——無論是10件還是10000件，因為(wei) 它具有充分的經濟性。CF3D使用快速固化熱固性樹脂（雖然也適用於(yu) 熱塑性塑料），將增強纖維浸漬在打印頭內(nei) ，並在材料沉積後立即固化複合材料。熱固性材料使該工藝能夠在自由空間中執行高速打印。應用CF3D技術的纖維體(ti) 積可達到50-60％，而公司正在以多種方式繼續推進該工藝。最近的一個(ge) 重要進展包括更加自動化的工具路徑生成；自動化的工具更換，可在同一部件上實現高分辨率單通道和高沉積多通道打印；提高的機器人準確性和精度；開發具有更高力學性能的材料。
意大利複合材料公司的連續纖維製造（CFM）工藝與(yu) CF3D相似，也已經達到早期采用和開發階段（技術成熟度等級5）。CFM技術旨在解決(jue) 使用熱固性樹脂進行3D打印的挑戰，並已成功地用環氧樹脂、丙烯酸和乙烯基酯打印連續玻璃纖維增強複合材料。紫外線（UV）是moi印刷技術的主要固化工藝，但該工藝也適用於(yu) 其他固化和後固化機製——這是碳纖維應用所必需的，因為(wei) 碳的不透明性和黑色幹擾紫外線固化。
總結和展望
3D打印碳纖維增強高分子，尤其是連續碳纖維增強熱塑性高分子，在輕量化、高性能的複雜結構部件的低成本、高效率製造有巨大潛力。連續纖維3D打印技術正在隨著3D打印機的創新而迅速崛起，它即可以用於(yu) 大批量生產(chan) 複合材料零件，也可以打印特別有挑戰性的特征，比如高度複雜的幾何形狀或者需要極其精密製造的關(guan) 重特性。可以預見，隨著該技術的成熟和大規模推廣應用，將進一步促進航空製造業(ye) 探索以3D打印方式批量生產(chan) 無人機、複雜航空結構以及製造工裝，開啟航空複合材料發展的新浪潮。
從(cong) 技術上來說，對於(yu) 短碳纖維增強高分子，FDM和SLS有成熟的原材料和技術，下一步的關(guan) 鍵是提升打印的精度和部件整體(ti) 的力學性能。對於(yu) 連續纖維3D打印技術還存在兩(liang) 個(ge) 主要問題：一是纖維含量低，且打印層之間的分層可能性高；二是缺乏標準化的連續工具路徑生成商業(ye) 軟件。下一步的關(guan) 鍵是結合機器人等自動化輔助設備，開發適合於(yu) 連續纖維的製造平台，實現多維度的纖維取向的基礎上，充分發揮3D打印的優(you) 勢，通過創新的設計實現性能和成本的最優(you) 化。
整體(ti) 上，今後3D打印碳纖維增強材料的大批量應用，關(guan) 鍵在於(yu) 材料技術、加工技術、加工速度和質量、成本控製四個(ge) 方麵的創新和發展。未來，隨著這些問題的解決(jue) ，該技術依托靈活開放、高速高效、低成本且生產(chan) 完全自動化等優(you) 勢，必將會(hui) 與(yu) 傳(chuan) 統複合材料製造技術產(chan) 生競爭(zheng) 。