征稿啟事
1. 導(dǎo)讀
增材制造（AM）技術(shù)已成為先進(jìn)快速制造領(lǐng)域最有前途的技術(shù)之一。它具有節(jié)約成本、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，可用于制造形狀復(fù)雜的零件。在眾多增材制造方法中，熔絲制造成型技術(shù)（FFF）是使用最廣泛的制造方法之一。然而，使用純聚合物或短纖維增強(qiáng)聚合物打印的部件，由于力學(xué)性能相對較差，很難應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件。因此，為了提高FFF打印部件的力學(xué)性能，滿足承載要求，連續(xù)纖維越來越多地被引入到FFF工藝中。
與傳統(tǒng)制造工藝相比，3D打印技術(shù)為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRC）的定制化設(shè)計(jì)提供了更大的自由度。如圖1所示，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)（CFRS）在3D打印背景下的設(shè)計(jì)跨越了三個層級：制造工藝、材料和結(jié)構(gòu)。CFRS的性能可以由多個變量在不同層級上進(jìn)行調(diào)控。每個設(shè)計(jì)水平由多個提高整體性能的因素組成。例如，在工藝層面，通過優(yōu)化3D打印的切片參數(shù)，可以設(shè)計(jì)CFRS的微觀結(jié)構(gòu)特征，減少制造缺陷，從而提高CFRS的力學(xué)性能。在材料層面，選擇合適的纖維和基體材料來實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的協(xié)同增強(qiáng)，從而提高結(jié)構(gòu)的綜合性能。最后，在結(jié)構(gòu)水平上，胞元幾何形狀以及填充密度對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能也有顯著的影響。因此，3D打印復(fù)合材料的多層級設(shè)計(jì)為其廣泛應(yīng)用提供了可能，3D打印CFRS的研究也越來越受到重視。
圖1 CFRS的增材制造設(shè)計(jì)層級及制造方法
2022年，復(fù)合材料TOP期刊《Composites Part B: Engineering》發(fā)表了中南大學(xué)及法國斯特拉斯堡大學(xué)、南布列塔尼大學(xué)在3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的研究工作，論文標(biāo)題為“3D Printed Continuous Fiber Reinforced Composite Lightweight Structures: A Review and Outlook”。文章結(jié)合近年來相關(guān)論文的研究成果，討論了材料、工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)類型等變量的二維到三維結(jié)構(gòu)的多層級設(shè)計(jì)問題。介紹了結(jié)構(gòu)特性對CFRS力學(xué)性能的影響及在形狀變形和自監(jiān)測方面的新應(yīng)用。為未來的研究提供思路，以彌補(bǔ)先進(jìn)工藝與CFRS多層級設(shè)計(jì)之間的差距，從而充分挖掘3D打印CFRS的應(yīng)用潛力。
2. 3D打印CFRS的工藝
與傳統(tǒng)的工藝要求類似，首先考慮纖維與基體的適宜性和相容性，以保證基體與纖維、層內(nèi)界面以及層間的良好相互作用，從而減少制造缺陷。如圖2所示，針對連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的打印，開發(fā)了各種工藝。這些工藝一般可分為兩大類。一類是基于干纖維束的原位或在線浸漬法，另一類是基于預(yù)浸絲的打印方法。
圖2 CFRS打印的主要FFF工藝
在原位浸漬方法中，連續(xù)的干纖維和熱塑性基體按指定比例同時送入打印頭（圖2（a））。熱塑性基體在噴嘴中被加熱到熔點(diǎn)以上，而干纖維在進(jìn)入噴嘴前被預(yù)熱，然后在噴嘴內(nèi)被熔融的熱塑性樹脂浸漬。浸漬的纖維和熔融聚合物一起從噴嘴擠出，并直接沉積固化。原位浸漬工藝由于操作方便，3D打印機(jī)價格低廉，成為了目前應(yīng)用最廣泛的CFRS制造方法。與原位浸漬法一樣，在線浸漬法也采用連續(xù)干纖維，干纖維在輸送到打印噴嘴之前被浸漬（圖2（b））。這個過程在CFRC的3D打印中是一個復(fù)雜的方法，因?yàn)樗枰鄠€制造步驟同時發(fā)生。與使用干纖維的打印不同，纖維預(yù)浸絲的打印是采用含有聚合物基體和連續(xù)纖維的預(yù)浸漬材料（圖2）（c））。這種工藝非常方便，因?yàn)樗鼜拇蛴∵^程中分離了干纖維浸漬的復(fù)雜性。本文還研究了共擠出法打印輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的工藝。共擠出打印工藝是指預(yù)浸絲與基體材料同時進(jìn)料。這兩種材料在噴嘴被加熱，然后共擠在一起（圖2（d））。同時，隨著不同的預(yù)浸絲共擠技術(shù)的出現(xiàn)，采用熱塑性預(yù)浸絲和熱塑性基體相結(jié)合的方法來打印CFRC。原位固化3D打印指的是在沉積過程中，通過外部能量源對預(yù)浸絲打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行在線固化處理（圖2（e））。
3. 現(xiàn)有的限制
3.1 浸漬
增強(qiáng)纖維被基體浸漬的程度顯著影響3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能。由于3D打印連續(xù)纖維的成型壓力小，浸漬時間短，在打印過程中纖維浸漬效果難以與傳統(tǒng)成型工藝相比。在現(xiàn)有的3D打印工藝中，原位浸漬工藝的浸漬問題尤為嚴(yán)重。如圖3（a, b）所示，在結(jié)構(gòu)斷裂剖面中，纖維束中間表面光滑的纖維表明，在打印過程中，基體未能浸漬纖維。Wang等人也展示了3D打印碳纖維材料浸漬不良的問題，其中纖維暴露在外部，未能被基體包覆（圖3（c））。相比之下，3D打印預(yù)浸絲的浸漬程度要優(yōu)于原位浸漬工藝，但由于成型壓力較小，仍然存在浸漬缺陷。從圖3（d）中，晶格結(jié)構(gòu)的邊緣未被基體覆蓋，纖維暴露在表面。Liu等人打印的CFRS由于浸漬不良而存在大量孔隙缺陷，尤其是在打印方向改變的位置（圖3（e））。而這些浸漬缺陷是結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早的失效。
圖3 3D打印CFRC（a）蜂窩;（b）三明治;（c）點(diǎn)陣桁架夾層;（d）晶格和（e）桁架結(jié)構(gòu)的浸漬問題
3.2 結(jié)構(gòu)打印尺寸
3D打印CFRS存在顯著的尺寸限制。對于具有纖維剪斷裝置的打印機(jī)，理論上結(jié)構(gòu)單元的邊長不應(yīng)小于剪斷裝置到噴嘴的距離。Anisopprint? Composer A4打印機(jī)的打印頭到剪斷裝置的距離約為38毫米。對于沒有纖維剪斷裝置的打印機(jī)，理論上結(jié)構(gòu)的單元尺寸不能小于噴嘴與纖維束之間的直徑差。此外，在打印過程中，由于噴嘴移動產(chǎn)生的阻力，連續(xù)纖維經(jīng)常偏離設(shè)計(jì)位置，給小尺寸結(jié)構(gòu)的打印增加了難度。與復(fù)合材料傳統(tǒng)制造工藝相比，3D打印平臺的尺寸決定了結(jié)構(gòu)的最大制造尺寸。目前，大多數(shù)商用CFRCs打印機(jī)的平臺尺寸小于500 毫米。雖然機(jī)械臂的使用進(jìn)一步增加了CFRCs的打印尺寸，但可打印的結(jié)構(gòu)仍然受到機(jī)械臂長度的限制。但帶有機(jī)械臂的3D打印機(jī)由于具有6個自由度的運(yùn)動，因此能夠打印非平面結(jié)構(gòu)，從而擺脫了傳統(tǒng)3D打印技術(shù)的逐層堆疊限制。
3.3 纖維曲率
3D打印CFRS的尺寸受到打印平臺幾何形狀以及連續(xù)纖維的打印曲率的限制。由于沒有模具的約束，特別是對于高剛度纖維、大曲率、單元尺寸小的結(jié)構(gòu)，很難完全達(dá)到設(shè)計(jì)形狀。如圖4（a）所示，Cheng等人打印了邊長為5.77毫米的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，打印出來的纖維曲率與設(shè)計(jì)曲率存在明顯的差異?；w材料形成的六邊形結(jié)構(gòu)單元與設(shè)計(jì)的形狀具有很好的一致性，而纖維則明顯不在六邊形單元壁厚的中間。如圖4所示（c），Morales 等人制造的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)薄壁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的無纖維區(qū)。連續(xù)纖維難以填充圖4（c）中所示的大曲率位置。Quan等人打印的Kevlar?纖維增強(qiáng)的拉脹蜂窩結(jié)構(gòu)，由于Kevlar?纖維的剛度低于碳纖維，因此與設(shè)計(jì)曲率的一致性較好。然而，Kevlar?纖維的位置與設(shè)計(jì)位置仍有一定的差距，特別是圖4（d）所示單元的大曲率位置。
圖4 設(shè)計(jì)與打印結(jié)構(gòu)的曲率對比：（a）蜂窩;（b）三明治;（c）薄壁和（d）拉脹蜂窩結(jié)構(gòu)
4. 3D打印CFRSs設(shè)計(jì)
4.1路徑設(shè)計(jì)
連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料打印路徑的設(shè)計(jì)決定了纖維在基體中的方向和分布，其影響纖維排布，進(jìn)而影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。打印路徑的設(shè)計(jì)高度依賴于打印設(shè)備。以商業(yè)化的Markforged?和Anisoprint?3D打印機(jī)為代表，其采用了連續(xù)纖維剪斷設(shè)備。纖維路徑、位置和填充率的設(shè)計(jì)主要由各自的切片軟件（Eiger?和Aura?）根據(jù)目標(biāo)結(jié)構(gòu)自動生成。連續(xù)纖維路徑剪斷的剪斷位置一般在結(jié)構(gòu)的大曲率位置和打印噴嘴需要跳躍打印時。與此相反，自行設(shè)計(jì)或改裝的CFRS 3D打印機(jī)具有更大的設(shè)計(jì)和制造自由度，甚至大多數(shù)都沒有配備纖維剪斷裝置。這類打印機(jī)允許用戶使用開源G-Code自由設(shè)計(jì)打印策略。但是，在沒有剪斷裝置的情況下，設(shè)計(jì)的打印路徑必須是連續(xù)的，即在打印過程中，噴嘴的運(yùn)動不能發(fā)生跳躍。因此，纖維路徑設(shè)計(jì)對力學(xué)性能影響的研究備受關(guān)注。如圖5所示，設(shè)計(jì)了不同形狀結(jié)構(gòu)的一系列打印路徑。
圖5（a, b）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的3D打印路徑及（c, d）各種胞元形狀填充結(jié)構(gòu)的路徑設(shè)計(jì)
4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.2.1 二維結(jié)構(gòu)
路徑設(shè)計(jì)完成后，采用傳統(tǒng)的逐層3D打印方法可制備出不同填充形狀的二維CFRSs，如矩形、圓形、蜂窩、菱形、梯形、波紋等（圖6（a））。新的單元形狀，如波形（見圖6（b）），負(fù)泊松比（見圖6（c））形狀，也被用于二維單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。此外，通過3D打印工藝制造CFRC薄壁結(jié)構(gòu)也開始受到關(guān)注，如圖6（d）所示。
圖6（a-c）不同胞元形狀的二維 CFRS及（d）薄壁結(jié)構(gòu)
4.2.2 三維結(jié)構(gòu)
三維輕量化結(jié)構(gòu)由于其高減重效率在海洋、航空航天和運(yùn)輸工程中具有極大的應(yīng)用潛力。近年來，通過改進(jìn)原位固化的3D打印技術(shù)制備了金字塔、彈簧和網(wǎng)格等三維結(jié)構(gòu)。這些改進(jìn)技術(shù)打破了傳統(tǒng)3D打印逐層堆疊制造的限制。如圖7（a）所示，采用纏繞打印方法制備的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料格柵。類似地，He等人使用UV固化的熱固性材料打印了彈簧和格柵結(jié)構(gòu)（圖7（b））。此外，Li和Luan等人通過自由懸掛的3D打印方法制造了連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（圖7（c, d））。Eichenhofer等人使用連續(xù)晶格制造工藝打印了具有金字塔桁架芯材的超輕夾層結(jié)構(gòu)（圖7（e））。
圖7 三維（a, b）彈簧；格柵和（c-e）金字塔形狀的CFRSs
5. 3D打印CFRSs的性能
5.1 力學(xué)性能
3D打印CFRS的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高比強(qiáng)度和比剛度，其中連續(xù)纖維被用于增強(qiáng)和調(diào)整結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。文獻(xiàn)中對3D打印工藝、結(jié)構(gòu)變量和纖維體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行優(yōu)化來提高力學(xué)性能。例如，3D打印工藝參數(shù)的優(yōu)化，包括層厚的減小，顯著改善了復(fù)合材料的壓縮性能（圖8（a））。此外，CFRSs的胞元形狀和密度的變化會顯著影響力學(xué)性能。隨著胞元長度的減小，胞元填充密度的增加顯著提升了CFRSs的壓縮性能（圖8（b））。如圖8（c）所示，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，3D打印復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的壓縮性能顯著提高。為了更好地理解CFRSs的力學(xué)性能，我們在圖8（d）總結(jié)了抗壓強(qiáng)度和抗壓模量。
圖8（a）層厚，（b）胞元長度，（c）纖維體積分?jǐn)?shù)和（d）胞元形狀對CFRSs壓縮性能的影響
5.2 結(jié)構(gòu)形狀的變形
4D打印將AM技術(shù)與可打印智能材料相結(jié)合，允許打印結(jié)構(gòu)的形狀或?qū)傩栽谕獠看碳は掳l(fā)生變化。通過4D打印實(shí)現(xiàn)了具有可編程、可重構(gòu)和力學(xué)性能可調(diào)功能的CFRS設(shè)計(jì)和制造。CFRS中存在多種變形的機(jī)制。目前，大多數(shù)4D打印復(fù)合材料都使用了形狀記憶聚合物（SMP）為基體，連續(xù)纖維為增強(qiáng)相。SMPs通常需要外部刺激，如改變溫度來觸發(fā)運(yùn)動。改變溫度的方法主要有水浴加熱和電加熱（碳纖維束）。當(dāng)環(huán)境溫度高于SMP的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，誘導(dǎo)聚合物發(fā)生相變，結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)的形狀。Zeng 等人發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度的變化顯著影響結(jié)構(gòu)的4D恢復(fù)性能，如圖9（a）所示。Cheng 等人通過對碳纖維施加電壓加熱聚合物，展示了CFRC蜂窩的恢復(fù)行為（圖9（b））。相比之下，利用纖維軌跡來實(shí)現(xiàn)可展開曲面變形的研究較少。連續(xù)纖維與柔性基體之間的熱膨脹系數(shù)不匹配是引起結(jié)構(gòu)變形的主要原因。如圖9（c）所示，交叉纖維的夾角決定了主曲率的大小，而纖維夾角的平分線決定了主曲率的方向。
圖9通過（a, b）加熱碳纖維和（c）纖維/基體熱膨脹系數(shù)不匹配的變形
5.3 自監(jiān)測
利用纖維的導(dǎo)電特性，研究了具有自監(jiān)測能力的復(fù)合材料。例如，連續(xù)的碳纖維不僅可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，還可以作為傳感材料，通過測量載荷下電導(dǎo)率的變化來幫助結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自我監(jiān)測。如圖10（a）所示，Ye 等人評估了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)蜂窩結(jié)構(gòu)在循環(huán)壓縮過程中的自傳感性能。結(jié)果表明，蜂窩結(jié)構(gòu)中電阻的變化可以檢測到應(yīng)變和損傷。Luan等人設(shè)計(jì)了一種基于連續(xù)碳纖維電力學(xué)行為來監(jiān)測壓應(yīng)變、應(yīng)力和損傷預(yù)測的智能點(diǎn)陣桁架夾層結(jié)構(gòu)（圖10（b））。研究結(jié)果表明，采用連續(xù)碳纖維打印的CFRS具有較好的自監(jiān)測能力，這有望促進(jìn)具有自監(jiān)測功能的CFRS在航空航天、汽車等許多工程領(lǐng)域的應(yīng)用。
圖10采用（a）二維蜂窩和（b）三維點(diǎn)陣桁架單元填充CFRSs的自監(jiān)測
6. 結(jié)論及未來研究方向
文章綜述了3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)（CFRSs）工藝和結(jié)構(gòu)的進(jìn)展，并探討了增材制造自監(jiān)測和智能結(jié)構(gòu)等新興領(lǐng)域。從材料、工藝、結(jié)構(gòu)、性能和功能等方面重點(diǎn)介紹了復(fù)合材料的3D打印技術(shù)。主要可以總結(jié)為以下幾點(diǎn):
現(xiàn)有多種3D打印技術(shù)被用于CFRS的開發(fā)，但與傳統(tǒng)制造方法相比，打印纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的尺寸精度和力學(xué)性能有所降低。一方面，在現(xiàn)有的3D打印系統(tǒng)中，大多數(shù)3D打印復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)低于30%，這與傳統(tǒng)制造的復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)可超過50%難以相比。另一方面，3D打印成型壓力小，纖維在打印過程中難以完全浸漬，導(dǎo)致界面性能較差。這種現(xiàn)象對于原位浸漬3D打印方法尤為顯著。因此，通過增加連續(xù)纖維體積分?jǐn)?shù)、添加短纖維和增加浸漬率，可以進(jìn)一步改善3D打印纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能。為了減少孔隙，增強(qiáng)層間的界面結(jié)合，在未來的工作中，可以考慮退火和熱壓后處理等工藝。
目前對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究主要是使用合成纖維來提高熱塑性或熱固性基體材料的力學(xué)性能。然而，隨著全球生態(tài)環(huán)境面臨著日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，合成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已不能滿足當(dāng)今環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展的要求。在傳統(tǒng)的制造工藝中，苧麻和蠶絲等動植物纖維已經(jīng)被用于復(fù)合材料的制造中。雖然天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與合成纖維之間存在一些的性能差距，但Le Duigou等人提出了亞麻纖維增強(qiáng)生物質(zhì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有望達(dá)到傳統(tǒng)工藝的水平。因此，為了減少環(huán)境污染問題，3D打印連續(xù)天然纖維增強(qiáng)生物質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)被考慮。
對于輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可以顯著提高力學(xué)性能和抗損傷能力。目前已發(fā)表的研究大多集中于CFRSs的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能研究，對其動力性能的分析較少。然而，工程應(yīng)用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)經(jīng)常受到不同的復(fù)雜載荷條件，包括沖擊和熱力耦合加載。在今后的研究中，需要考慮3D打印復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學(xué)性能以及濕熱等不同加載環(huán)境對力學(xué)性能的影響。此外，隨著數(shù)值方法的發(fā)展，許多學(xué)者建立了有限元模型（FEM）來預(yù)測3D打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。然而，這些模型大多是宏觀的，沒有考慮到連續(xù)纖維打印路徑和其工藝特性的影響。因此，建立考慮工藝相關(guān)的多尺度模型對準(zhǔn)確預(yù)測CFRS的力學(xué)行為至關(guān)重要。
4D打印的CFRS有著巨大的應(yīng)用潛力，其可以集成傳感和驅(qū)動功能，為智能承載結(jié)構(gòu)的應(yīng)用開辟了可能性。例如，在航空航天領(lǐng)域，設(shè)備通常要求能夠?qū)ν獠織l件做出可控的自變形，而形狀記憶結(jié)構(gòu)可以同時滿足大變形和大承載力的要求。此外，4D打印的CFRS元件，如執(zhí)行器和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器，可以內(nèi)置到設(shè)備中，提供更低的成本和更好的結(jié)構(gòu)完整性。隨著4D打印技術(shù)的發(fā)展，CFRS在航空航天、生物、軟機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
原始文獻(xiàn)：Cheng P, Peng Y, Li S, Rao Y, Le Duigou A, Wang K, et al. 3D printed continuous fiber reinforced composite lightweight structures: A review and outlook. Composites Part B: Engineering. 2023; 250: 110450.
原文鏈接：
?http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110450
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