黃 基，劉家豪，張凌鶴，黃志勇，代洪慶，戴 寧

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，增材制造(additive manufacturing，AM)作為一項(xiàng)革命性的新生產(chǎn)技術(shù)備受關(guān)注[1]。該技術(shù)具有精度高、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)靈活、更換材料簡(jiǎn)易、個(gè)性化定制方便、設(shè)計(jì)制造一體化等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，對(duì)制造業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。研究人員在增材制造技術(shù)的發(fā)展中開發(fā)出了多種制造工藝，包括分層實(shí)體制造工藝(laminated object manufacturing，LOM)[4]、光固化工藝(stereolithography，SL)[5]和熔融沉積制造工藝(fused deposition modelling，F(xiàn)DM)[6]等。

連續(xù)纖維復(fù)合材料因其具有設(shè)計(jì)性強(qiáng)、比強(qiáng)度高、比模量高、抗斷裂能力強(qiáng)、抗疲勞和抗腐蝕能力較好等特性，自被提出以來就在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[7]。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，增強(qiáng)材料從連續(xù)碳纖維拓展到諸如玻璃纖維、光導(dǎo)纖維、金屬絲、亞麻絲等連續(xù)絲材，除了能提升機(jī)械性能外，連續(xù)絲材在光學(xué)、熱學(xué)、電子、生物醫(yī)學(xué)等方面也展現(xiàn)出功能性增強(qiáng)作用。傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，比如樹脂傳遞模塑成型、纖維纏繞、自動(dòng)化纖維/膠帶放置等技術(shù)，都需要特定的模具和工具，具有成本高、不靈活和不適合小批量生產(chǎn)[8-9]等特征，而連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，為解決這一問題提供了新途徑，并將發(fā)揮越來越重要的作用[10-12]。

本文針對(duì)連續(xù)絲材復(fù)合材料增材技術(shù)，總結(jié)分析了目前的研究進(jìn)展和技術(shù)難題，可為連續(xù)絲材復(fù)合材料增材制造技術(shù)發(fā)展提供思路。

1 技術(shù)與工藝

1.1 連續(xù)絲材增材制造工藝原理

連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造技術(shù)是傳統(tǒng)復(fù)合材料成型技術(shù)與增材制造技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。1998年Christian等[13]開發(fā)了一種將FDM技術(shù)和鋪絲鋪帶技術(shù)結(jié)合的工藝，這是較早報(bào)道的與連續(xù)絲材增材制造有關(guān)的工藝。與純樹脂材料增材制造工藝不同，連續(xù)絲材增材制造需要使用樹脂基體浸漬，才能完成連續(xù)絲材的粘接打印。因此針對(duì)樹脂基體與連續(xù)絲材的浸漬與粘接問題，研究人員開發(fā)了各種工藝和設(shè)備，包括原位浸漬、絲束共擠、托絲擠出、原位合并、內(nèi)聯(lián)浸漬，如圖1所示[14]。

圖1 連續(xù)絲材增材制造工藝原理

原位浸漬工藝是將連續(xù)干絲材送入噴嘴，通過一種或多種進(jìn)入方式注入基體材料，纖維在噴頭中完成浸漬并與基體材料共同擠出沉積成型，如圖1(a)所示。絲束共擠工藝是將預(yù)浸料/薄預(yù)浸料帶送入噴嘴，加熱并與其他基體材料共擠出，如圖1(b)所示。托絲擠出工藝是直接打印連續(xù)絲材預(yù)浸料，如圖1(c)所示。原位合并工藝中噴嘴不作為熱源，在進(jìn)料過程中，預(yù)浸料由噴嘴處的外部能源加熱，然后在沉積過程中通過壓力輥放置和固化。內(nèi)聯(lián)浸漬工藝與3D細(xì)絲纏繞類似，在將連續(xù)絲材傳輸?shù)酱蛴☆^時(shí)將其浸漬，通過噴嘴進(jìn)行沉積成型，如圖1(e)所示。根據(jù)連續(xù)絲材的浸漬方式不同，可歸結(jié)為在線浸漬成型工藝和離線浸漬成型工藝兩種。

1.2 連續(xù)絲材增強(qiáng)熱塑性基材成型工藝

1.2.1在線浸漬成型工藝

在線浸漬是基于熔融沉積打印的工藝，即將連續(xù)絲材送入打印噴嘴，同時(shí)在噴嘴內(nèi)通過一種或者多種進(jìn)入方式注入熱塑性樹脂材料，實(shí)現(xiàn)連續(xù)絲材浸潤(rùn)后共同擠出打印的工藝。

Matsuzaki等[15]開發(fā)的打印頭和打印工藝被認(rèn)為是原位浸漬最具代表性的成果，其使用連續(xù)碳纖維和黃麻加捻絲兩種連續(xù)絲作為增強(qiáng)材料，聚乳酸(polylatic acid，PLA)作為基體材料，打印原理示意如圖2(a)所示，打印樣件效果如圖2(b)和2(c)所示。

圖2 原位浸漬打印原理及打印樣件

田小永等[16-17]使用在線浸漬成型工藝打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚乳酸，Akhoundi等[18]使用在線浸漬成型工藝打印連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚乳酸，Stepashkin等[19]使用在線浸漬成型工藝打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone,PEEK)的復(fù)合材料樣件，結(jié)果都表明連續(xù)纖維浸漬效果不良會(huì)導(dǎo)致纖維樹脂結(jié)合界面存在大量空隙，對(duì)成型質(zhì)量有很大影響。為了增強(qiáng)浸潤(rùn)效果，Liu等[20]設(shè)計(jì)了一種自由懸掛式細(xì)長(zhǎng)噴頭，如圖3所示。該噴頭采用兩側(cè)進(jìn)樹脂基材的方式，保證了在碳纖維束兩側(cè)都有較好的包覆和浸潤(rùn)效果。同時(shí)為了延長(zhǎng)碳纖維與聚乳酸的浸潤(rùn)時(shí)間，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)30 mm加熱管覆蓋長(zhǎng)60 mm的導(dǎo)流管。觀察打印樣件發(fā)現(xiàn)：纖維與樹脂的結(jié)合界面未發(fā)現(xiàn)明顯孔隙，但纖維束內(nèi)部仍為干燥未浸漬狀態(tài)，表明細(xì)長(zhǎng)型管道改善了纖維表面浸漬和包覆效果，但無法解決內(nèi)部浸漬不良的問題。Ye等[21]設(shè)計(jì)了一種分離式打印方法，如圖4所示，通過在打印頭中增加一個(gè)同心管連續(xù)送入連續(xù)纖維，實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維在樹脂基體中的均勻鋪設(shè)。羅盟等[22]使用激光-等離子體雙重界面優(yōu)化策略優(yōu)化在線浸漬工藝，如圖5所示，打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料時(shí)，首先使用大氣常溫等離子體處理碳纖維干絲表面，實(shí)現(xiàn)表面清潔和有效激活；然后將處理后的干纖維快速通過熔融腔與熔融PEEK進(jìn)行充分浸潤(rùn)混合從而獲得碳纖維預(yù)浸絲；最后將預(yù)浸絲與熔融PEEK進(jìn)行原位浸漬并打印成型，同時(shí)利用激光對(duì)層間加熱，進(jìn)而提升層間結(jié)合性能。

圖3 自由懸掛式細(xì)長(zhǎng)噴頭

1.2.2離線浸漬成型工藝

為了解決在線浸漬過程中連續(xù)絲材浸漬效果不好的問題，研究人員開始對(duì)預(yù)浸漬長(zhǎng)絲打印工藝進(jìn)行優(yōu)化研究。美國(guó)Markforged公司開發(fā)的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料打印工藝，打印機(jī)設(shè)置了兩個(gè)獨(dú)立噴頭，分別打印連續(xù)纖維預(yù)浸漬絲束和熱塑性樹脂線材，前者對(duì)應(yīng)成型部件的內(nèi)部增強(qiáng)部分的鋪覆，后者對(duì)應(yīng)部件的外形框架和內(nèi)部的孔隙填充[23]，如圖6所示。圖7為Mark Two及其連續(xù)碳纖維復(fù)合材料打印結(jié)構(gòu)[24]。

圖4 分離式打印噴頭原理圖

圖5 激光-等離子體雙重界面優(yōu)化策略工藝

圖6 Markforged公司連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料打印原理圖

俄羅斯Anisoprint公司開發(fā)了一種連續(xù)纖維共擠技術(shù)，使用熱固性樹脂預(yù)浸漬連續(xù)干纖維，打印機(jī)設(shè)置兩個(gè)獨(dú)立噴頭，如圖8(a)所示，連續(xù)纖維打印頭在打印過程中預(yù)浸漬纖維與塑料樹脂共同擠出，完成連續(xù)絲材的擠出，原理如圖8(b)所示[25]。

圖7 Mark Two及其打印結(jié)構(gòu)

圖8 Anisoprint公司連續(xù)纖維增材制造

除了連續(xù)絲材的打印工藝，研究人員也對(duì)連續(xù)絲材的浸漬工藝進(jìn)行了研究。Hu等[26]開發(fā)了一種制造連續(xù)碳纖維預(yù)浸漬長(zhǎng)絲的擠壓工藝和設(shè)備，如圖9所示。然而制備的預(yù)浸料浸漬程度難以控制，樹脂主要黏附在纖維束表面，并且從橫截面可以看到內(nèi)部存在未浸漬的干纖維。Matsuzaki等[27]改進(jìn)了浸漬工藝，使用帶有3個(gè)輥?zhàn)拥臉渲蓿鐖D10所示，獲得了更好的浸漬效果。Qiao等[28]使用超聲振動(dòng)輔助浸漬，以改善長(zhǎng)絲的浸漬效果，如圖11所示。與未使用超聲振動(dòng)處理的預(yù)浸料相比，打印出來的試樣拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別提高了34%和29%。

1.3 連續(xù)絲材增強(qiáng)熱固性基材成型工藝

熱固性復(fù)合材料增材制造也是目前的研究熱點(diǎn)，具有材料成熟度高、設(shè)計(jì)靈活性較強(qiáng)、可靠性和可重復(fù)性較好等優(yōu)點(diǎn)[29]，但受工藝限制，目前連續(xù)絲材增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料增材制造普遍采用在線浸漬成型工藝方案。

圖9 連續(xù)碳纖維預(yù)浸漬長(zhǎng)絲的擠壓工藝原理

圖10 改進(jìn)浸漬工藝原理

圖11 超聲振動(dòng)輔助浸漬方案

美國(guó)Continuous Composites公司開發(fā)出一種連續(xù)纖維三維打印(continuous fiber 3D printing，CF3D)技術(shù)[30]。研究人員在打印頭內(nèi)部使用熱固性樹脂浸漬連續(xù)絲材，并在紫外光照下完成固化，不限于二維平面切片打印，還可以通過在各個(gè)方向上離散定向纖維來實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的各向異性特性，完成連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料三維打印成型紫外光固化工藝。增強(qiáng)材料可以使用任何連續(xù)絲材，包括芳綸纖維、玻璃纖維、碳纖維、銅絲、鎳鉻合金絲和光纖。使用CF3D工藝打印的樣件如圖12所示。

Hao等[31]提出了一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱固性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料增材制造技術(shù)，在打印頭內(nèi)部浸漬連續(xù)纖維，打印成型后通過加熱完成定型。類似的，明越科等[32]提出了兩步式增材制造解決方案，先進(jìn)行纖維預(yù)浸及打印成型，然后將預(yù)成型體放進(jìn)真空袋中真空密封并保持原始形狀，利用烘箱加熱完成固化定型，工藝原理如圖13所示。

圖12 使用CF3D工藝打印的樣件

圖13 兩步式增材制造原理工藝圖

美國(guó)特拉華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種名為局部面內(nèi)熱輔助增材制造(LITA)工藝，該工藝通過加熱器局部加熱碳纖維絲束，形成梯度溫度分布，使液態(tài)熱固性預(yù)聚物滴落在纖維表面時(shí)，從低溫到高溫區(qū)域表現(xiàn)出逐漸降低的黏度分布[29,33]。黏度的降低改變了聚合物的物化性能(如表面能、接觸角等)，使其由于毛細(xì)作用實(shí)現(xiàn)對(duì)干纖維的潤(rùn)濕和浸漬。同時(shí)，較高的溫度還會(huì)引發(fā)預(yù)聚物分子鏈發(fā)生聚合交聯(lián)反應(yīng)而固化，從而同步實(shí)現(xiàn)注入液態(tài)預(yù)聚物、預(yù)浸干纖維以及固化反應(yīng)成型，如圖14所示。

Thakur等[34]提出一種紫外光輔助共擠沉積連續(xù)纖維增材制造工藝，該工藝使用摻雜了光敏樹脂的基體材料和連續(xù)纖維共同由噴嘴擠出，使用紫外激光照射快速沉積成型，原理如圖15所示，可以直接打印導(dǎo)電槽結(jié)構(gòu)和連續(xù)干纖維。

圖14 LITA設(shè)計(jì)原理

美國(guó)科羅拉多大學(xué)的He等[35]提出了一種墨水直寫(direct ink writing， DIW)的連續(xù)纖維增材制造技術(shù)。熱固性樹脂和連續(xù)纖維同時(shí)裝載于注射器內(nèi)部，施加壓力推動(dòng)活塞使浸漬后的復(fù)合纖維束擠出，通過紫外光或熱固化處理完成沉積成型，打印機(jī)示意圖如圖16所示。

圖15 紫外光輔助共擠沉積連續(xù)纖維增材制造原理及打印樣件

圖16 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料DIW打印機(jī)示意圖

2 連續(xù)絲材材料

對(duì)連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造而言，基體材料和增強(qiáng)絲材都可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇[36]。增強(qiáng)絲材主要包括力學(xué)增強(qiáng)絲材和功能增強(qiáng)絲材，不同的增強(qiáng)絲材可以賦予復(fù)合材料不同的性能，下面將系統(tǒng)地介紹各種絲材在增材制造復(fù)合材料中的應(yīng)用。

2.1 力學(xué)增強(qiáng)絲材

力學(xué)增強(qiáng)絲材主要用于增強(qiáng)增材制造復(fù)合材料的力學(xué)性能，其主要包括連續(xù)碳纖維、連續(xù)玻璃纖維和連續(xù)芳綸纖維等。使用不同連續(xù)絲材增材制造的復(fù)合材料性能也會(huì)有所不同，不同絲材的纖維含量也會(huì)對(duì)力學(xué)增強(qiáng)絲材復(fù)合材料性能產(chǎn)生影響[37]。一方面,與增強(qiáng)絲材本身的力學(xué)性能密切相關(guān);另一方面,增強(qiáng)絲材與基體界面的力學(xué)性能差異也會(huì)對(duì)復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能產(chǎn)生影響[10,38]。表1總結(jié)了基體材料、增強(qiáng)絲材和絲材增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能[10,35,38-50]。

Chabaud等[51]測(cè)試了用連續(xù)碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)的聚酰胺(PA)基體，在對(duì)其進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩種增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)力隨應(yīng)變幾乎呈線性增加，碳纖維和玻璃纖維在分別達(dá)到1.1%和2.2%時(shí)發(fā)生脆性斷裂，與單一纖維發(fā)生斷裂一致，表示載荷已很好地轉(zhuǎn)移到增強(qiáng)纖維上。Dickson等[52]采用增材制造技術(shù)分別制備了用連續(xù)玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維增強(qiáng)的尼龍基體復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)表明這3種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能結(jié)果為碳纖維強(qiáng)于玻璃纖維強(qiáng)于芳綸纖維，與純尼龍對(duì)照樣品相比，碳纖維樣件的拉伸強(qiáng)度提高了6.3倍。Feng等[53]通過設(shè)計(jì)雙剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)，在碳纖維表面添加碳納米管(CNTs)和聚酰胺(PA)，形成雙剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)的多級(jí)梯度模量，改善了基體材料和增強(qiáng)纖維界面的力學(xué)性能。與未處理的碳纖維復(fù)合材料相比，雙剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度從48.8 MPa提高到85.7 MPa,層間剪切強(qiáng)度從58.6 MPa提高到84.5 MPa,抗彎強(qiáng)度從758.4 MPa提高到1 002.1 MPa，分別提高了75.6%、44.1%和41.3%。

表1 基體材料、增強(qiáng)絲材和絲材增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能

2.2 功能增強(qiáng)絲材

功能增強(qiáng)絲材主要賦予增材制造復(fù)合材料某種新功能，利用功能增強(qiáng)絲材的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，可以制備出具有發(fā)熱、傳感[54]、導(dǎo)電[55]、電磁吸收、儲(chǔ)能[56-57]等功能的增材制造復(fù)合材料。常見的功能增強(qiáng)絲材有銅絲[58]、金屬合金絲[59]、低介電常數(shù)絲[60]、高介電常數(shù)絲[61]等。圖17[62]展示了FDM打印鎳鉻絲、銅絲增強(qiáng)PLA復(fù)合材料的形狀。相比于單一的功能絲材，人們對(duì)復(fù)合絲材帶來的高性能甚至復(fù)合性能更加感興趣，增材制造功能絲材的制備技術(shù)成為增材制造功能復(fù)合材料的關(guān)鍵。

熱拉伸絲材的可擴(kuò)展性使它成為FDM的理想原料，Loke等[63]建立了一種快速、多尺度的方法來打印熱拉伸絲材，將所需結(jié)構(gòu)的預(yù)制體熱拉伸成連續(xù)長(zhǎng)達(dá)千米的微結(jié)構(gòu)絲材(圖18(a)、(b))。在熱拉伸絲(如圖18(b)中導(dǎo)電聚乙烯(CPE)和硒化砷(As2Se5)之間)制造過程中，將微尺度材料連接在一起，形成高質(zhì)量的器件界面，而后將熱拉伸絲進(jìn)行后處理(圖18(d))。當(dāng)完成整個(gè)工藝后，增材制造出的熱拉伸絲材復(fù)合材料就具備對(duì)應(yīng)功能(圖18(e)、(f))。

圖17 鎳鉻絲、銅絲增強(qiáng)PLA復(fù)合材料

圖18 熱拉伸長(zhǎng)絲的制造

Cruz等[64]開發(fā)了一種多尺度合成銅納米絲的方法，該方法減少了聯(lián)氨的使用，并通過制造銅-銀復(fù)合絲，使得增材制造出來的復(fù)合材料具有更高的電導(dǎo)率，用銅-銀復(fù)合絲打印的復(fù)合材料的導(dǎo)電性能是用石墨烯打印出來的復(fù)合材料的100倍。

3 連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料軌跡設(shè)計(jì)

連續(xù)絲材的各向異性、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可調(diào)性以及成型工藝參數(shù)賦予了連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造的可設(shè)計(jì)性。

3.1 形狀胞元結(jié)構(gòu)軌跡設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的形狀胞元結(jié)構(gòu)主要有矩形、圓形、蜂窩狀六角形、菱形等，如圖19所示，這些胞元已經(jīng)大量用于連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造中[65-67]。除了上述簡(jiǎn)單形狀胞元結(jié)構(gòu)，近些年，人們更加關(guān)注擁有良好自支撐性能的三維胞元。Liu等[20]提出了用自由懸掛的方法打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，分別打印了碳纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料的四面體點(diǎn)陣(圖20(a))、Kagome點(diǎn)陣(圖20(b))、金字塔點(diǎn)陣(圖20(c))、八面體桁架點(diǎn)陣(圖20(d))、圓形網(wǎng)格點(diǎn)陣(圖20(e))、積分變厚度點(diǎn)陣(圖20(f))、三角形點(diǎn)陣(圖20(h))[68]和波紋狀(圖20(i))[69]等。

圖19 簡(jiǎn)單的胞元結(jié)構(gòu)

圖20 不同胞元結(jié)構(gòu)的碳纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料

在形狀胞元的設(shè)計(jì)當(dāng)中，同一種類型的胞元，由于大小、層厚、角度等幾何參數(shù)的差異表現(xiàn)出來的性能也會(huì)有所差別[70]。為了獲得更高性能的胞元結(jié)構(gòu)，可以對(duì)胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。Cheng等[71]研究了可回收碳纖維蜂窩胞元結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)表明該結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度、比剛度、特定能量吸收和相對(duì)密度與碳含量密切相關(guān)，說明可以通過調(diào)整參數(shù)來定制增材制造蜂窩機(jī)械性能。Dong等[66]通過改變蜂窩單元的幾何參數(shù)，發(fā)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)力學(xué)性能的大變化和控制。Wang等[68]發(fā)現(xiàn)了三角形點(diǎn)陣中桁架傾角對(duì)其力學(xué)性能有重要影響。

3.2 連續(xù)絲材軌跡規(guī)劃

連續(xù)絲材軌跡設(shè)計(jì)可以影響力學(xué)增強(qiáng)絲材的性能，常用的絲材軌跡主要有直線[72-73]、鋸齒[74]、輪廓偏置[75]、網(wǎng)格[76-77]、蜂窩[31]等。其中直線軌跡容易鋪覆，但單向路徑無法實(shí)現(xiàn)多向承載；對(duì)于鋸齒、輪廓偏置這種平面內(nèi)非交錯(cuò)軌跡，改變了絲材鋪覆方向，與直線軌跡相比不僅提高了拉伸強(qiáng)度，而且提高了彎曲強(qiáng)度和模量；對(duì)于網(wǎng)格、蜂窩軌跡，絲材軌跡可以交織，能夠獲得較好的抗壓強(qiáng)度，但這種簡(jiǎn)單的軌跡規(guī)劃，沒有充分考慮絲材的各向異性的性能[78]。

文獻(xiàn)[78]～[80]均提出了一種基于載荷路徑的連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料的絲材軌跡優(yōu)化方法，該方法將絲材方向與實(shí)際的載荷路徑方向匹配對(duì)齊，從而提高結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。圖21所示為優(yōu)化前后的軌跡和破壞指標(biāo)分布。Shang等[81]全面研究了正弦結(jié)構(gòu)對(duì)碳纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料間結(jié)合性能的影響規(guī)律和機(jī)理，提出用三維正弦路徑打印連續(xù)絲材，結(jié)果表明：采用正弦打印路徑的復(fù)合材料能顯著提高增材制造連續(xù)絲材復(fù)合材料層與層之間的粘接性能，同時(shí)隨著正弦路徑幅值和頻率的增加，碳纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料的線間拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和斷裂能量吸收也都會(huì)增加，如圖22所示。

圖21 基于載荷路徑優(yōu)化前后對(duì)比圖

圖22 正弦路徑復(fù)合材料增材制造原理圖

3.3 拓?fù)鋬?yōu)化復(fù)合絲材軌跡設(shè)計(jì)

拓?fù)鋬?yōu)化是連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造輕量化的重要方法。拓?fù)鋬?yōu)化的主要挑戰(zhàn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和絲材分布之間的耦合，由于絲材具有各項(xiàng)異性的力學(xué)性能，在拓?fù)鋬?yōu)化的過程中要充分考慮復(fù)合材料形狀變化導(dǎo)致纖維分布的變化。

目前常用的連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化主要有兩種思路。一種是順序優(yōu)化，先考慮整體形狀再考慮絲材的分布，如Li等[78]提出了一種基于路徑設(shè)計(jì)的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料增材制造新方法，采用拓?fù)鋬?yōu)化方法分析載荷在各向同性材料中的傳遞路徑，然后再進(jìn)行纖維軌跡設(shè)計(jì)，該方法考慮了連續(xù)絲材的載荷傳輸路徑和各向異性的力學(xué)特性。Papapetrou等[82]提出基于密度形狀水平集的方法進(jìn)行形狀優(yōu)化(圖23(a))，并提出了3種絲材填充方法——等距法(圖23(b))、彌補(bǔ)法(圖23(c))、流線法(圖23(d))，這3種方法可以保證絲材在填充區(qū)域的連續(xù)性，其中等距法速度快易于實(shí)現(xiàn)，但不能在形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)上生成絲材軌跡；彌補(bǔ)法適用于幾何形狀突變的結(jié)構(gòu)；流線法有助于建立與優(yōu)化后絲材矢量場(chǎng)平行的絲材路徑。

圖23 Papapetrou等提出的絲材填充方法

另一種是在并行優(yōu)化的同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)和絲材，比如Ostanin等提出了一種功能梯度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)方法，該方法能夠同時(shí)設(shè)計(jì)最優(yōu)的復(fù)合材料拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、空間變化的絲材結(jié)構(gòu)和方向[83]，如圖24所示。Safonov[84]提出的基于自然演化法的連續(xù)纖維三維拓?fù)鋬?yōu)化方法，可以動(dòng)態(tài)地尋找材料密度局部最佳的分布情況，獲得較輕的結(jié)構(gòu)。在圖24(c)、(d)中，深色表示基體，淺色表示纖維。

圖24 功能梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程

4 連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用

4.1 航空與汽車典型零部件

復(fù)合材料因比強(qiáng)度高而廣泛應(yīng)用于輕量化設(shè)計(jì)制造，其中連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造具有抗磨損、自潤(rùn)滑、界面結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)異性能，是一種制造高性能功能化復(fù)合材料的新技術(shù)。美國(guó)Lockheed Martin公司成功打印出碳纖維復(fù)合材料翼梁，其力學(xué)性能可以達(dá)到160%的設(shè)計(jì)極限載荷，表示翼梁設(shè)計(jì)制造的圓滿成功[85]，如圖25(a)所示。除此之外，越來越多的連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料被用于制造航空航天與汽車領(lǐng)域的典型零部件，如無人機(jī)框架(圖25(b))，使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料后質(zhì)量減輕43%、成本降低48%、剛性提升16%；賽車的踏板(圖25(c))部件可減輕汽車約12 kg的質(zhì)量；飛機(jī)座椅支撐結(jié)構(gòu)(圖25(圖d))可以減輕一架飛機(jī)25 kg左右的質(zhì)量[86]。

4.2 電子與傳感器

利用連續(xù)絲材的傳感和導(dǎo)電性能，有利于開發(fā)出具有傳感和電子性能的復(fù)合材料，如使用銅-銀復(fù)合絲絲材增材制造出具有更高電導(dǎo)率的復(fù)合材料[64]。近年來，眾多增材制造傳感器的研究工作集中在電學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域，其中電子和力傳感模塊特別適合用增材制造方式制備[54,87]。Bodkhe等[88]將碳纖維與壓電絲材相結(jié)合增強(qiáng)PLA基體，可以隨溫度改變形狀并同時(shí)測(cè)量變形程度，如圖26(a)所示。Yao等[72]基于碳纖維的自感知性能制造出一款仿手傳感器，可識(shí)別抓力變化以及監(jiān)控手指活動(dòng)狀態(tài)，如圖26(a)和(b)所示。

圖25 連續(xù)絲材復(fù)合材料在輕量化零部件的應(yīng)用

4.3 防/除冰系統(tǒng)

增材制造可以利用絲材的導(dǎo)熱性能制造出發(fā)熱元件，在飛機(jī)機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)以及輪船表面等部件防/除冰上具有重要應(yīng)用價(jià)值。Ming等[89]制造了一種自熱增材制造碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料網(wǎng)格，該網(wǎng)格具有的高導(dǎo)電性、電阻穩(wěn)定和電自熱性能，使其具有良好的除冰效果，如圖27所示。Ibrahim等[90]使用連續(xù)鎳鉻合金絲增強(qiáng)PLA基體打印出加熱片，并將其夾在0.27 mm碳纖維預(yù)浸料之間，最后在輪船表面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)除冰測(cè)試，如圖28所示，結(jié)果表明通電加熱片能有效地保持面板表面無冰，并在面板上產(chǎn)生均勻的溫度分布。

圖28 加熱板貼在輪船上進(jìn)行防/除冰性能測(cè)試

4.4 智能結(jié)構(gòu)

連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造除上述應(yīng)用外，在其他領(lǐng)域也有較多應(yīng)用，如打印出具有零泊松比或負(fù)泊松比、負(fù)變剛度等特點(diǎn)的智能結(jié)構(gòu)[91-92]，用碳纖維作為陽(yáng)極和集流體，用高電導(dǎo)率的聚合物基體作為陰極，包覆在碳纖維上的固體聚合物作為電解質(zhì)和隔膜，可制造出儲(chǔ)能電池[34]。Dong等[93]制備了一套電誘導(dǎo)的人造碳纖維復(fù)合材料，利用PLA/聚氨酯/碳納米管共混物制備碳纖維和導(dǎo)電絲，在打印復(fù)合材料中構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，研究了打印碳纖維復(fù)合材料的基本力學(xué)性能和形狀記憶效應(yīng)以及負(fù)泊松比效應(yīng)，建立了負(fù)泊松比效應(yīng)理論模型，并采用電刺激實(shí)驗(yàn)證明生長(zhǎng)型碳纖維復(fù)合材料的電誘導(dǎo)性能和潛在用途，如圖29所示。Shi等[33]用連續(xù)碳纖維復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)毛細(xì)管驅(qū)動(dòng)，如圖30所示。Tian等[94]對(duì)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PLA基體復(fù)合材料進(jìn)行重熔，得到PLA浸漬碳纖維，將其從增材制造復(fù)合材料中回收，并作為增材制造過程的原材料。將原來的打印軌跡反向應(yīng)用，允許連續(xù)絲材100%回收，不會(huì)對(duì)機(jī)械性能產(chǎn)生任何影響。結(jié)果表明，再生碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能不低于原打印復(fù)合材料，如圖31所示。

圖29 負(fù)泊松比效應(yīng)復(fù)合材料

圖30 連續(xù)碳纖維熱固性復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)毛細(xì)管

圖31 打印碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的回收再制造方案

5 結(jié)束語

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造技術(shù)開展了大量研究，對(duì)增材制造成型工藝、功能絲材、軌跡規(guī)劃、功能應(yīng)用等做了深入探索，促進(jìn)了連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造技術(shù)的高速發(fā)展，然而連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造技術(shù)還存在一些諸如制造標(biāo)準(zhǔn)不完善、工藝不成熟、增強(qiáng)絲材軌跡規(guī)劃困難等問題：

1)基體材料和增強(qiáng)材料對(duì)連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造的性能起決定性作用。不同的增強(qiáng)體和基體材料打印的結(jié)構(gòu)件性能有很大差別，需要建立統(tǒng)一的用于連續(xù)絲材增強(qiáng)增材制造材料標(biāo)準(zhǔn)體系，推動(dòng)連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造的工業(yè)化進(jìn)程。

2)連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造成型工藝和裝備研究還不夠成熟，制品機(jī)械性能普遍弱于傳統(tǒng)復(fù)合材料制造工藝，需要進(jìn)一步探索基體與增強(qiáng)體之間的界面作用機(jī)理，優(yōu)化成型工藝。

3)連續(xù)絲材軌跡對(duì)連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造性能具有重要影響，為了充分發(fā)揮連續(xù)絲材的各向異性，需要加強(qiáng)不同性能約束下的復(fù)雜三維模型軌跡規(guī)劃研究，優(yōu)化絲材軌跡的連續(xù)性，充分發(fā)揮絲材各向異性可設(shè)計(jì)性的優(yōu)勢(shì)。

連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造的研究成果已在航空航天、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域得到應(yīng)用，隨著連續(xù)絲材增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造技術(shù)日益發(fā)展，必將發(fā)揮出巨大的作用。