重磅综述：纤维增强复合材料3D打印的全面总结

导语

3D打印技术正在快速发展，而纤维增强复合材料的3D打印逐步成为行业热点。

近期《材料科学杂志》发表的一篇重磅综述文章，或许能在这一领域带来全面的了解和启发。

这篇文章全面总结了纤维增强复合材料3D打印技术的最新研究进展，涵盖了从聚合物到金属、陶瓷等多种基体材料，以及从短纤维到连续纤维的各类增强方式。

作为3D打印行业的资深从业者，一定不想错过这篇文章。

AM易道已经为读者老师准备好了独家解读。

我们将梳理纤维增强复合材料3D打印技术的发展现状、关键技术突破点和未来趋势，帮助你在这个快速发展的领域中抢占先机。

无论您是材料开发工程师、设备制造商，还是应用研究人员，这篇文章都将为您提供宝贵的技术洞察和创新灵感。

让我们一起探索纤维增强复合材料3D打印技术的无限可能。

纤维增强复合材料3D打印的背景与意义

纤维增强复合材料因其优异的强度重量比和多功能性，在航空航天、汽车等高端制造业广受青睐。

然而，传统的复合材料制造方法存在工艺复杂、成本高昂等问题。

3D打印技术的出现为复合材料制造带来了新的机遇，有望实现复杂结构的快速成型和性能定制。

AM易道认为，纤维增强的复材3D打印技术的发展将为轻量化制造、功能集成等方向带来革命性的突破，对推动先进制造业升级具有重要意义。

本文将系统梳理纤维增强的复材3D打印技术的研究现状，为业内人士提供有价值的技术洞察。

纤维增强复材3D打印的现状与关键技术

1. 聚合物基复合材料3D打印：从短纤维到连续纤维的性能飞跃

聚合物基复合材料是纤维增强复合材料3D打印研究最广泛的方向，主要包括短纤维增强和连续纤维增强两类。

(1)短纤维增强：多种工艺助力性能提升

短纤维增强复合材料主要采用熔融沉积成型(FDM)、光固化(SLA)、直写(DIW)和选择性激光烧结(SLS)等工艺。

FDM

FDM工艺中，短纤维（如碳纤维、玻璃纤维）被预先混入热塑性树脂中制成复合材料丝材，通过熔融挤出成型。

Sun等人采用碳纤维增强PA6复合材料，通过优化工艺参数，显著提高了打印件的力学性能。

他们发现，热处理温度和时间对材料的机械性能、微观形貌、纤维取向和结晶度变化有显著影响。

该图展示了短纤维增强PA6复合材料的FDM打印过程。

(a)展示了PA/CF复合材料丝材的制备过程，包括双螺杆挤出机和收卷装置；(b)是PA/CF颗粒的SEM图像，可以看到碳纤维均匀分布在PA6基体中；(c)显示了FDM打印机的打印头结构；(d)是打印出的复合材料样品。这个图很好地说明了从原材料制备到最终产品的整个过程。

SLA

SLA工艺可以实现高精度成型，Sano等人采用玻璃粉末与光敏树脂混合，成功制备了玻璃纤维增强复合材料。

他们的研究表明，玻璃粉末含量达到50%时仍能保持良好的打印精度。

该图展示了SLA工艺制备短纤维增强复合材料的过程。

(a)显示了SLA打印机的料盘，其中包含树脂和纤维的混合物；(b)展示了通过SLA工艺打印的复合材料拉伸试样；(c)是一个通过SLA工艺打印的复合材料雕像，展示了该工艺的高精度成型能力。

DIW

DIW工艺灵活性高，Jiang等人采用表面改性的亚麻纤维与硅橡胶混合，实现了柔性复合材料的3D打印。

他们通过超声处理改善了纤维的分散性，并探讨了不同喷嘴直径对打印质量的影响。

该图展示了亚麻纤维增强复合材料的制备过程。

图中详细描述了从原始亚麻纤维到最终可打印墨水的全过程，包括纤维切割、超声处理、过滤、干燥等步骤。这个流程图清晰地展示了如何制备适用于DIW工艺的短纤维增强复合材料墨水。

该图展示了DIW打印设备。(a)是DIW打印机的整体结构图，包括挤出系统、XY移动平台和Z轴控制；(b)展示了不同直径的打印喷嘴，这对于研究喷嘴尺寸对打印质量的影响非常重要。

SLS

SLS工艺可以制备高性能工程塑料复合材料，Chen等人研究了碳纤维/PA12复合材料的SLS成型工艺，探讨了纤维取向对材料性能的影响。

他们发现，激光能量密度和扫描策略对纤维取向有显著影响，进而影响材料的力学性能。

该图展示了CF/PA12复合材料粉末和SLS工艺示意图。

(a)是CF/PA12复合材料粉末的SEM图像，可以看到短碳纤维均匀分布在PA12粉末中；(b)是SLS工艺的示意图，展示了激光选择性熔化复合材料粉末的过程。

(2)连续纤维增强：突破性技术引领高性能复合材料制造

连续纤维增强复合材料可以充分发挥纤维的力学性能，是纤维增强复合材料3D打印的重要发展方向。

目前主要采用改进的FDM工艺实现连续纤维的铺放。

Markforged公司开发的连续纤维制造(CFF)技术，采用双喷头系统，可以同时打印尼龙基体和连续纤维（碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维）。

Chacon等人对CFF工艺参数进行了系统研究，探讨了纤维取向、层厚等因素对材料性能的影响。

他们发现，0°纤维取向可以获得最高的拉伸强度，而±45°取向则具有更好的延展性。

该图展示了连续纤维FDM打印的原理和设备。

(a)是CFF工艺的示意图，清晰地展示了基体材料和连续纤维同时打印的过程；(b)是Markforged公司的'Mark Two' 3D打印机，这是一款专门用于连续纤维复合材料打印的设备。

此外，SLA和DIW工艺也在连续纤维复合材料打印方面取得了一些进展。

Sano等人采用SLA工艺实现了连续玻璃纤维的3D打印，他们通过在光敏树脂中浸润玻璃纤维织物，成功制备了层厚为0.1mm的复合材料样品。

该图展示了SLA工艺制备连续纤维复合材料的过程。

(a)显示了SLA打印机的料盘，其中玻璃纤维织物浸润在光敏树脂中；

(b)是通过这种方法打印的连续纤维复合材料拉伸试样。

这个图展示了SLA工艺在连续纤维复合材料制造中的应用潜力。

Mei等人采用DIW工艺成功制备了连续碳纤维/陶瓷基复合材料，通过优化浆料配方和打印参数，实现了高质量的连续纤维铺放。

AM易道认为，连续纤维增强复合材料3D打印技术的发展，将为高性能轻量化结构件的快速制造提供新的解决方案。

未来还需要进一步优化纤维铺放路径设计、界面结合等关键技术，以充分发挥连续纤维的增强效果。

2. 金属基复合材料3D打印：高性能合金的新突破

金属基复合材料3D打印主要采用激光选区熔化(SLM)、激光直接沉积(DED)等工艺。

通过在金属粉末中添加陶瓷颗粒、纤维等增强相，可以显著提高金属材料的力学性能和功能特性。

(1)铝基复合材料：轻量化结构的理想选择

铝基复合材料因其低密度、高比强度等特点，在航空航天、汽车等领域具有广阔应用前景。

Lei等人研究了SLM工艺制备Al7075合金的组织演变规律，发现能量密度对晶粒形貌有显著影响。

他们观察到，随着能量密度的增加，晶粒由柱状向等轴状转变，平均晶粒尺寸从4.1μm减小到0.78μm。

Gu等人采用CNTs增强AlSi10Mg合金，实现了显著的强化效果。他们发现，CNTs的添加不仅提高了材料的强度，还改善了材料的导电性和热性能。

该图展示了铝基复合材料SLM成型的过程和微观结构。

(a)是未增强的Al7075粉末；(b)是增强后的Al7075粉末；(c)展示了Al7075的柱状枝晶生长趋势；(d)显示纳米粒子作为等轴晶的形核催化剂；(e)是不理想的大晶粒微观结构；(f)展示了纳米粒子导致的细晶粒无裂纹结构；(h)是最终的零件。

这个图很好地说明了纳米粒子增强对铝基复合材料微观结构的影响。

(2)钛基复合材料：航空航天的重要材料

钛基复合材料具有优异的比强度和耐腐蚀性，是航空航天领域的重要结构材料。

Attar等人采用SLM工艺制备了TiB增强的钛基复合材料，显著提高了材料的硬度和强度。

他们观察到，TiB呈针状分布在α-Ti基体中，硬度从261 Hv提高到402 Hv，屈服强度从560 MPa提高到1103 MPa。

Li等人研究了B4C增强Ti-6Al-4V复合材料的SLM成型工艺，探讨了B4C含量对材料性能的影响。

他们发现，添加1.0 wt% B4C可使材料的最终压缩强度从1384 MPa提高到1747 MPa。

(3)其他金属基复合材料：多元化发展

此外，不锈钢基复合材料、高温合金基复合材料等也是纤维增强复合材料3D打印研究的热点方向。

AlMangour等人采用SLM工艺制备了TiB2增强316L不锈钢复合材料，显著提高了材料的高温力学性能。

他们提出了一种「微隔离强化机制」，解释了复合材料的强化效果。

Wu等人研究了SiC增强316L不锈钢复合材料的DED成型工艺，发现SiC的添加不仅提高了材料的硬度，还改善了耐腐蚀性能。

AM易道认为，金属基复合材料3D打印技术的发展，将为航空航天、国防军工等领域的高性能金属构件制造提供新的技术路线。

未来需要重点解决增强相分布不均、界面反应控制等关键问题，同时拓展可用的增强相种类，开发新型功能复合材料。

3. 陶瓷基复合材料3D打印：高温应用的新选择

陶瓷基复合材料3D打印主要采用SLA、DIW等工艺，通过添加第二相颗粒、纤维等增强相，可以有效提高陶瓷材料的断裂韧性。

(1)颗粒增强：提高韧性的有效途径

Zheng等人采用SLA工艺制备了氧化锆增韧氧化铝(ZTA)复合材料，获得了99.4%的相对密度和7.76 MPa·m1/2的断裂韧性。

他们通过优化浆料配方和烧结工艺，成功解决了陶瓷材料3D打印中的致密化问题。

Wu等人也采用类似工艺制备了ZTA复合材料，获得了530.25 MPa的抗弯强度和17.76 GPa的硬度，这些性能指标已接近传统工艺制备的陶瓷材料。

该图展示了颗粒增强陶瓷复合材料的3D打印成果。

(a)显示了通过SLA工艺制备的ZTA复合材料及其微观裂纹形貌；(b)展示了通过LENS工艺制备的ZTA复合材料；(c)是通过LENS工艺制备的ATZ（氧化铝增韧氧化锆）复合材料；(d)展示了通过SLS工艺制备的SiOC/Al2O3涡轮轮毂。

这些图片很好地展示了不同3D打印工艺在陶瓷基复合材料制造中的应用。

(2)短纤维增强：多功能陶瓷复合材料的新方向

Lu等人采用SLA工艺制备了短碳纤维增强SiC复合材料，显著提高了材料的抗弯强度和断裂韧性。

他们发现，碳纤维的添加不仅提高了材料的力学性能，还改善了材料的导热性和电学性能。

Zhang等人结合SLA和液相硅渗透工艺，制备了轻质高强的Cf/SiC复合材料。

他们成功制备了复杂形状的涡轮叶片，展示了该工艺在高温结构件制造中的应用潜力。

上图展示了通过SLA工艺制备短碳纤维增强陶瓷复合材料的过程。

(a)是整个制造过程的示意图，包括SLA打印、脱脂和烧结步骤；(b)展示了打印出的碳纤维预制体；(c)是最终烧结后的零件。

这个图说明了如何利用SLA工艺制备复杂形状的短纤维增强陶瓷复合材料。

(3)连续纤维增强：突破性技术引领高性能陶瓷复合材料

Mei等人采用DIW工艺制备了连续碳纤维增强SiOC复合材料，显著提高了材料的力学性能。

他们通过优化纤维预浸和打印参数，实现了高质量的连续纤维铺放，制备的复合材料抗弯强度达到262.6 MPa。

Zhao等人也采用DIW工艺制备了连续SiO2纤维增强磷酸盐陶瓷复合材料，成功制备了具有复杂内部通道的波导结构，展示了该技术在电子通信领域的应用前景。

该图展示了采用连续纤维增强的陶瓷基复合材料3D打印成果。

(a)是通过LOM工艺制备的SiCf/SiC复合材料零件；(b)展示了通过DIW工艺打印的Cf/SiOC零件；(c)是通过DIW工艺制备的SiO2f/磷酸盐陶瓷复合材料。这些图片展示了连续纤维增强在陶瓷基复合材料3D打印中的应用潜力。

AM易道认为，陶瓷基复合材料3D打印技术的发展，将为高温结构件、生物医用陶瓷等领域带来新的机遇。

未来需要进一步提高成型精度和材料致密度，拓展可用的增强相种类，同时探索新型功能陶瓷复合材料的3D打印工艺。

4. 4D打印技术：智能材料的新时代

4D打印是纤维增强复合材料3D打印的前沿研究方向，通过引入形状记忆材料、智能水凝胶等功能材料，实现打印结构的形状变化或功能响应。

Hoa等人采用4D打印技术制备了航空航天用Ω形加强筋，实现了结构的可编程变形。

他们通过优化纤维铺放路径和树脂配方，在温度刺激下实现了预设的弯曲和扭转变形。

Yong等人研究了连续纤维在4D打印中的应用，通过优化纤维轨迹实现了复合结构的可控变形。

他们提出了一种新的纤维轨迹设计方法，可以精确控制复合结构在热刺激下的变形行为。

该图展示了4D打印复合材料的应用实例。

(a)展示了Ω形飞机翼加强筋；(b1)和(b2)展示了4D打印复合结构在25˚C和80˚C下的形状变化；(c)展示了[0/30]和[0/45]层压复合材料的弯曲和扭转变形；(d)展示了形状记忆聚合物复合材料(SMPCs)的4D打印应用。

此外，一些研究者还探索了其他类型的4D打印复合材料。

例如，Thai Ly等人开发了MWCNTs/TPU复合材料，实现了电刺激响应的4D打印结构。

Lyu等人研究了硅基复合材料的4D打印，制备了具有形状记忆效应的软体机器人。

Garcia等人开发了碳/TPU复合材料，实现了电热驱动的4D打印结构。

上图展示了4D打印天然纤维复合材料的应用。(a-d)展示了单材料打印的变形过程；(e-f)展示了多材料打印的变形过程。

AM易道认为，4D打印技术为智能结构、柔性电子等新兴领域提供了独特的制造手段。

未来需要进一步拓展可用材料体系，优化结构设计方法，同时探索多场耦合响应的4D打印复合材料，为智能制造和可编程材料领域带来新的机遇。

5. 数值模拟技术：纤维增强复合材料3D打印的虚拟设计与优化

有限元分析(FEA)、离散元法(DEM)等数值模拟技术在纤维增强复合材料3D打印研究中发挥着重要作用，可以预测材料性能、优化工艺参数。

(1) 有限元分析：多尺度模拟助力性能预测

Zoumaki等人采用FEA模拟了生物降解复合材料夹芯结构的力学性能。

他们建立了包括PLA蜂窝芯材和淀粉基复合材料面板的多层结构模型，成功预测了不同芯材结构和面板配方对夹芯板弯曲性能的影响。

这项研究为生物可降解复合材料的结构优化提供了重要参考。

Yutong等人建立了连续纤维复合材料FDM打印的多尺度模型，预测了工艺参数对材料性能的影响。

他们的模型考虑了树脂浸润、温度变化和树脂固化等因素，能够模拟熔融-沉积-冷却的制造过程。

研究发现，调整堆叠方式对提高拉伸性能最为有效，可使模量提高4.8%。

(2) 有限体积法：揭示成型过程中的物理机制

Donghua等人采用有限体积法(FVM)模拟了WC/Cu复合材料的SLM成型过程，揭示了能量密度对熔池特征的影响。

他们的模型考虑了粉末到固体的相变、温度梯度引起的表面张力以及激光束的高斯能量分布。

研究发现，当线能量密度超过20 kJ/m时，Marangoni流会导致气泡在熔池中聚集，从而增加孔隙率。

(3) 离散元法：粉末行为的微观模拟

Steuben等人提出了基于DEM的金属粉末3D打印模型，可以模拟粉末铺粉和熔化过程。

他们的模型能够捕捉到粉末颗粒之间的相互作用，预测粉末床的密实度和均匀性。

这项研究为优化粉末材料和铺粉工艺提供了重要指导。

此外，一些研究者还探索了其他先进的模拟方法。例如，Tan等人开发了一种离散元模型，用于模拟纤维/聚合物复合粉末在粉末床熔融工艺中的堆积过程。

Yang等人提出了一种基于光滑粒子流体动力学(SPH)和DEM耦合的新方法，用于模拟纤维增强聚合物复合材料的FDM打印过程。

AM易道认为，数值模拟技术的发展将为纤维增强复合材料3D打印的工艺优化和性能预测提供有力工具。

未来需要进一步提高模型的精度和计算效率，实现多尺度、多物理场耦合模拟。

同时，应加强模拟结果与实验数据的对比验证，建立可靠的材料数据库和模型库，为纤维增强复合材料3D打印的工程应用提供理论支撑。

应用前景与趋势：纤维增强复合材料3D打印引领制造业新革命

纤维增强复合材料3D打印技术在航空航天、汽车、建筑等领域已经展现出广阔的应用前景。

以下是一些具有代表性的应用实例：

1. 汽车领域：

Local Motors公司采用碳纤维增强ABS复合材料3D打印制造了世界上第一辆电动汽车Strati。整车仅由40个零部件组成，大大简化了装配过程。

此外，大众汽车利用3D打印技术加速了其电动赛车I.D. R Pikes Peak的开发进程，仅用数天时间就生产了约2,000个风洞模型零件。

2. 航空航天：

NASA采用金属基复合材料3D打印技术制造火箭发动机零部件，如液氧涡轮泵定子和喷嘴。

这些零件具有复杂的内部冷却通道，传统工艺难以加工。

空客公司使用3D打印技术生产A350 XWB客机的舱门连接支架，实现了25%的减重。

3. 建筑领域：

Apis Cor公司采用3D打印技术在迪拜建造了世界上最大的3D打印建筑，面积达640平方米。

这项技术大大缩短了施工周期，减少了建筑废弃物。

上图展示了纤维增强复合材料3D打印在汽车领域的应用实例。

(a)是世界上第一辆3D打印电动汽车Strati；

(b)是大众汽车的I.D. R Pikes Peak赛车；

(c)是BigRep公司制造的全3D打印电动摩托车Nera；

(d)是3D打印的兰博基尼复制品；

(e)是保时捷3D打印的定制座椅；

(f)是劳斯莱斯3D打印的汽车支架；

(g)是Local Motors公司3D打印的自动驾驶穿梭车Olli的下半部分。

上图展示了纤维增强复合材料3D打印在航空航天领域的应用。

(a)是Thales Alenia Space公司的卫星太阳能板铰链；

(b)是Cellcore公司的火箭喷嘴原型；

(c)是NASA的液氧涡轮泵定子；

(d)是NASA的DED积分通道喷嘴；

(e)是空客A350 XWB的机舱支架连接器；

(f)是SpaceX的SuperDracos火箭发动机；

(g)是Ariane公司的火箭喷射器核心；

(h)是GE的燃料喷嘴。

上图展示了纤维增强复合材料3D打印在建筑领域的应用。

(a)是印度理工学院马德拉斯分校的Tvasta建筑公司3D打印的印度第一座3D打印房屋；

(b)是Apis Cor公司在迪拜建造的世界上最大的3D打印建筑；

(c)、(d)、(e)展示了Apis Cor公司的其他3D打印建筑项目。

这些例子展示了3D打印技术在建筑领域的革命性应用，不仅大大缩短了施工周期，还能实现复杂的建筑设计。

AM易道认为，纤维增强复合材料3D打印技术未来将朝着以下方向发展：

1. 材料体系多样化：

开发新型功能复合材料，如导电、压电、自修复等智能材料。

以及重点探索生物基、可降解复合材料的需求也将增长，满足可持续发展需求。

2. 多材料多尺度制造：

实现微纳米增强相与宏观连续纤维的协同增强，发展异质材料梯度过渡结构。

探索金属-陶瓷-聚合物多相复合材料的一体化制造。

3. 工艺与装备创新：

开发高精度、高效率的纤维增强复合材料3D打印专用设备，实现连续纤维的精确控制和多轴铺放。

探索原位合成、原位监测等新型工艺，提高成型质量和效率。

写在最后

AM易道借助这篇综述文章的内容总结了聚合物基、金属基、陶瓷基复合材料3D打印的研究进展，介绍了4D打印、数值模拟等新兴技术，并探讨了纤维增强复合材料3D打印的应用前景和发展趋势。

文中研究总结的Reference本文不逐一列举，可以在综述内找到对应引用。

感谢各位读者已经读完了如此多的内容，最后AM易道想说：

纤维增强复合材料3D打印技术作为增材制造与复合材料的交叉前沿，正在快速发展。

AM易道认为，纤维增强复合材料3D打印技术的发展将为高性能轻量化结构、智能响应材料、功能梯度材料等领域带来革命性的突破。

但我们知道在材料方面，需要开发更多适用于3D打印的高性能纤维和基体材料，提高材料的可打印性和成型质量。

在工艺方面，需要进一步提高打印精度和效率，解决连续纤维定向控制、界面结合等关键问题。

AM易道期待，随着纤维增强复合材料3D打印技术的不断成熟和完善，它将为先进制造业的升级提供新的技术支撑，打开更多应用领域。

让我们拭目以待。

您对纤维增强复合材料3D打印技术的发展有什么看法？

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https://doi.org/10.1007/s10853-024-09925-6

     
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