关键字：连续纤维增强；热塑性复合材料；3D打印
连续纤维增强热塑性复合材料（CFRTPCs）具有强度高、寿命长、耐腐蚀和绿色可回收等优点，广泛应用于航空航天、交通运输和高精密加工装备等领域。传统复合材料制造工艺较为复杂、生产周期长且成本较高，先进的3D打印技术可以实现复杂结构零件的快速制造，为高性能复合材料的一体化成型提供了可能。
可用于CFRTPCs的3D打印设备基本组件包括x-y-z三维运动机构、连续纤维剪切机构、喷头机构、送丝机构、熔融加热器、散热风扇、温度传感器以及控制系统等，常用3D打印运动机构如图1所示。CFRTPCs3D打印控制系统主要包括硬件控制系统和软件设计系统两个部分，系统框架见图2。
图1.常用3D打印运动机构
图2.CFRTPCs3D打印控制系统
陕西恒通智能机器有限公司与西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室3D打印研究团队共同合作，于2016年研制出国内第一台市场产品化的CFRTPCS 3D打印设备RTM250(如图3所示),将连续干纤维持续进入打印喷头内，直接被喷头内的热塑性树脂线材熔体浸润，在线材熔体推力作用下挤出成型，此类工艺被称为实时浸渍工艺，以西安交通大学田小永和日本东京理科大学R．Matsuzaki课题组等研究成果为代表，其原理如图4所示。
图3.国内首台CFRTPCs 3D打印机RTM250
图4.连续纤维实时浸渍CFRTPCs 3D打印设备原理图
打印设备为了补偿高弹性连续碳纤维的回弹并促进熔融树脂的自粘过程，采用压电作动器产生高频超声来减少CFRTPCs 3D打印件孔隙缺陷。利用模态分析确定打印热床沿厚度方向的共振频率和振幅，将作动器安装在热床下方(见图5)，作动器产生的高频超声振动传递到热床上方的打印件中，上方施加压力，可以有效减少打印件层与层之间以及打印路径之问的孔隙(即超声作用区域)，促进树脂自粘以及连续纤维与树脂之间的相互粘接。
图5.声振动增强工艺示意图
美国Electroimpact公司开发了一种复合材料3D打印技术，即可升级的复合材料机器增材制造(Scalable Composite Robotic Additive Manufacturing，SCRAM)，如图6所示，由一台精确操作的机器人、旋转平台和温控室组成。大多数增材制造系统其实都是所谓的2.5D，即把平面的2D切片层层铺叠起来形成一个3D形状，而SCRAM则是真正的3D工艺，其末端执行器在真正的六维自由度空间中沉积材料，可以确保纤维的取向与载荷路径相适应，以及从构建平台上获得准各向同性的叠层。
图6.基于SCRAM工艺的CFRTPCs 3D打印系统
复合材料3D打印技术是复合材料制备、增材制造领域的交叉研究方向，是一种前沿的应用技术。目前国内外研究人员针对复合材料性能、3D打印工艺、路径规划算法等关键技术做了初步探索和奠基性的工作，促进了CFRTPCs 3D打印技术的蓬勃发展。
文章来源：
[1]陈威,张秋菊.连续纤维增强热塑性复合材料3D打印研究进展[J].材料科学与工艺,2022,30(01):21-34.
