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（中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

在航空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，復(fù)合材料以其特有的高比強(qiáng)度、高比剛度、輕質(zhì)高效等特性，與鈦合金、鋁合金、鋼一起成為現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)的四大結(jié)構(gòu)材料[1]。近40 年來，在設(shè)計(jì)、材料和制造三方面的努力下，先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成功研制并批量應(yīng)用，其應(yīng)用比例成為現(xiàn)代飛機(jī)先進(jìn)性的標(biāo)志之一。開發(fā)針對(duì)復(fù)合材料的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法與制造工藝技術(shù)已成為新一代飛機(jī)研制的關(guān)鍵[2-3]。

熱塑性復(fù)合材料（fiber reinforced thermoplastics，F(xiàn)RTP）是以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等材料作為增強(qiáng)體的各種熱塑性樹脂的總稱，可分為連續(xù)纖維增強(qiáng)與短切纖維增強(qiáng)兩類[4]。典型的熱塑性樹脂基體包括尼龍（PA）、聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚氨酯（TPU）等。熱塑性復(fù)合材料具有許多優(yōu)于熱固性復(fù)合材料的綜合性能[5]。熱塑性復(fù)合材料最突出的優(yōu)點(diǎn)是較高的韌性與損傷容限，以及良好的抗沖擊性能，有利于克服熱固性樹脂基復(fù)合材料層間韌性不足和沖擊分層的缺點(diǎn)，可應(yīng)用于服役環(huán)境較為苛刻、承載能力要求高、容易受到?jīng)_擊載荷的部位[6]。熱塑性復(fù)合材料的耐水性也高于熱固性復(fù)合材料，可在潮濕環(huán)境下使用。一些高性能熱塑性復(fù)合材料（如纖維增強(qiáng)PEI）的長期使用溫度可達(dá)250 ℃以上，具有良好的耐熱性與抗蠕變性能[7]。此外，熱塑性預(yù)浸料對(duì)于存放環(huán)境與時(shí)間沒有限制，在加工過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，結(jié)構(gòu)件可以直接熔融焊接及修復(fù)，廢料可以回收利用，因此具有降低結(jié)構(gòu)件制造和維護(hù)成本的潛力[8]。

作為一種新型的復(fù)合材料制造技術(shù)，增材制造技術(shù)具有制造成本低、一體化快速成形等特點(diǎn)，常應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件制造、驗(yàn)證件快速測(cè)試制備和復(fù)雜模具/工裝制造等方向[9]。目前熱塑性生物醫(yī)用高分子材料利用選區(qū)激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）與熔融沉積成形（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）技術(shù)定制的骨科、齒科材料已應(yīng)用于臨床治療中[10-13]。Stratasys 公司為復(fù)合材料模具應(yīng)用開發(fā)了可溶解ST-130 材料，Champion Motorsport公司使用該材料打印出模具，用于賽車發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪復(fù)合材料進(jìn)氣管的成形。Plyform 公司使用該材料成形模具，用于制造直升機(jī)駕駛員操縱桿。傳統(tǒng)的金屬模具需要4 h 對(duì)磨具進(jìn)行加工，還需4 h 對(duì)模具進(jìn)行表面處理。而可溶解模具增材制造僅需2.5 h，節(jié)約80%成本，同時(shí)制件的性能提升了30%。西班牙IDEC 公司同樣使用ST-130 制造了復(fù)合材料成型模具工裝，用于成型復(fù)合材料機(jī)翼典型件。由于熱塑性樹脂的易加工特點(diǎn)，通過添加不同種類的功能化填料可以實(shí)現(xiàn)具有吸波、電磁屏蔽、阻燃、消音、導(dǎo)電等功能化零件的3D 打印，一體化成型制備功能件[14]。

此外，通過將高性能連續(xù)纖維引入熱塑性樹脂基體，將連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與增材制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)相互融合，可以克服采用注射成型等方式制備的短切纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料力學(xué)性能（<100 MPa）較低的問題[15-17]。另一方面，傳統(tǒng)的針對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的制造技術(shù)（如熱壓罐、纖維纏繞、纖維鋪放等）都是基于模具的成形工藝，對(duì)于不同的構(gòu)件都需要開發(fā)昂貴的專用模具，生產(chǎn)成本高、周期長、工藝復(fù)雜；模具的存在也會(huì)在制造過程中引入很多工藝約束，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件一體化成形[18-19]。纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料增材制造技術(shù)為航空航天領(lǐng)域高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體制造帶來了革命性突破，推動(dòng)了增材制造技術(shù)的應(yīng)用向高性能、可修復(fù)、可回收材料的方向發(fā)展[20]。 本工作總結(jié)短切纖維增強(qiáng)和連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料增材制造技術(shù)研究進(jìn)展，對(duì)復(fù)合材料增材制造技術(shù)的材料、設(shè)備、工藝和應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 短切纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料增材制造

現(xiàn)有短切纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料增材制造方法主要包括選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）與熔融沉積成形（FDM）。

1.1 選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）

SLS 工藝采用激光按照一定的路徑燒結(jié)粉末材料，逐層累加實(shí)現(xiàn)三維零件的制造[21]。該工藝作為復(fù)合材料零件的制造方法時(shí)，通常采用短切纖維為增強(qiáng)相，將短切纖維與熱塑性樹脂粉末混合制備成復(fù)合材料粉末，再將復(fù)合材料粉末燒結(jié)成復(fù)合材料實(shí)體零件。德國EOS 公司將碳纖維與PA12 通過物理混合的方式制備成復(fù)合材料粉末CarbonMide，作為SLS 的原材料成功打印出復(fù)合材料零件并將其商業(yè)化[22]。Wu 等[23]通過硝酸（HNO3）對(duì)短切碳纖維表面進(jìn)行氧化改性，并與PA12 粉末混合用于SLS，制備含30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）表面氧化碳纖維的燒結(jié)成型零件，其彎曲強(qiáng)度達(dá)114 MPa，彎曲模量達(dá)5.9 GPa，較純PA12 燒結(jié)件分別增加124%和344%。Yan等[24]通過測(cè)試高溫流變行為，建立零切黏度熱物理模型以確定有效熔融區(qū)，研究了CF/PEEK 復(fù)合材料SLS 工藝中的燒結(jié)動(dòng)力學(xué)，結(jié)果表明，當(dāng)燒結(jié)成型零件的纖維含量為10%時(shí)，拉伸強(qiáng)度為（109±1） MPa，拉伸模量為（7.4±0.5） GPa，比純PEEK 的注塑樣品提高85%。

德國、美國等增材制造公司及我國華曙高科等分別研制了可用于SLS 技術(shù)的熱塑性樹脂復(fù)合材料粉末，其牌號(hào)及性能如表1 所示。

表1 常用商業(yè)化SLS 復(fù)合材料及其性能指標(biāo)Table 1 Commercialized SLS composites and their properties

1.2 短切纖維熔融沉積成形（FDM）工藝

通常利用熱塑性樹脂顆粒與短纖維為原材料，混合均勻后擠出短纖維增強(qiáng)絲材，然后將絲材作為FDM 工藝材料，按照一定的路徑堆積成形為三維實(shí)體零件[25-26]。美國Stratasys 公司用于FDM 增材制造技術(shù)的PA12/CF 材料含有多達(dá)35%的碳纖維，拉伸強(qiáng)度為76 MPa，拉伸模量為7.5 GPa，抗彎強(qiáng)度為142 MPa，可替代金屬材料作為功能結(jié)構(gòu)及次承力結(jié)構(gòu)。Tekinalp 等[27]將短碳纖維（0.2～0.4 mm）與ABS 塑料復(fù)合而成的材料作為熔融沉積工藝（FDM）的原材料，制造出來的試件中短纖維分布具有高度的同向性（達(dá)91.5%）。與傳統(tǒng)的注塑復(fù)合材料相比，拉伸強(qiáng)度與拉伸模量分別提高了115%和700%。美國Local Motors 汽車公司在2014 年增材制造了一輛汽車Strati，該汽車由40 個(gè)部件組成，其中，13%～20%為碳纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料，80%～87%為ABS 樹脂。Zhong 等[28]通過將短切玻璃纖維加入ABS 中，制備成短切玻纖增強(qiáng)ABS 復(fù)合材料絲材，成功應(yīng)用于熔融沉積工藝（FDM），所制備的復(fù)合材料試件拉伸強(qiáng)度明顯高于純ABS 打印件，但由于短切碳纖維的取向作用以及作為異相成核劑誘導(dǎo)材料結(jié)晶可能會(huì)導(dǎo)致FDM 制造的制品力學(xué)性能下降。Li 等[29]將短切碳纖維加入PEEK 中，發(fā)現(xiàn)在FDM 3D 打印過程中碳纖維提高了PEEK 的均勻成核過程，降低了層與層間的成核過程的結(jié)合強(qiáng)度，并改變了斷裂模式。

2 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料增材制造

短切纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料增材制造工藝已較為成熟，但短切纖維對(duì)試件的力學(xué)性能提升非常有限。為提高纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料增材制造試件的力學(xué)性能，研究人員提出了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FDM 工藝，目前對(duì)該工藝的研究仍處于起步階段[30]。連續(xù)纖維復(fù)合材料增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)的自動(dòng)鋪絲成形相比，柔性更高，對(duì)于典型的碳纖維/聚醚醚酮零件，研發(fā)周期可縮短至原來的1/30，生產(chǎn)速度可提高100 倍[31]。連續(xù)纖維增材制造工藝可分為五種，分別為原位浸漬、絲束共擠出、拖絲擠出、原位合并和內(nèi)聯(lián)浸漬，目前市面上各廠商采用的連續(xù)纖維復(fù)合材料增材制造技術(shù)路徑如表2 所示。

表2 連續(xù)纖維復(fù)合材料增材制造技術(shù)路徑Table 2 Technical paths for continuous fiber reinforced composite additive manufacturing

若根據(jù)原材料的不同可以主要分為三種形式：

（1）impossible-objects?獨(dú)家技術(shù)（CBAM），在連續(xù)纖維織物基板上進(jìn)行聚合物粉末燒結(jié)打印，而并非打印連續(xù)纖維。

（2）連續(xù)纖維預(yù)浸絲增材制造工藝[32-34]。首先制備纖維預(yù)浸絲，再利用預(yù)浸絲進(jìn)行增材制造，典型代表為美國Markforged 公司。Markforged 自2014 年開始陸續(xù)推出Mark 系列打印機(jī)，采用兩個(gè)獨(dú)立噴頭，一個(gè)噴頭進(jìn)給熱塑性樹脂絲材，另一個(gè)進(jìn)給連續(xù)纖維預(yù)浸絲材，兩個(gè)噴頭配合工作分別鋪放熔融樹脂與纖維預(yù)浸束進(jìn)行構(gòu)件輪廓與內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)的制造（圖1），實(shí)現(xiàn)復(fù)合增材制造，其表面為樹脂，內(nèi)部為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)材，兼顧了零件的精度與性能。所成形碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與拉伸模量分別達(dá)到700 MPa 與54 GPa。此外，美國Stratasys 公司也開發(fā)了相似技術(shù)，采用預(yù)浸纖維絲材為原材料，雙頭打印，可實(shí)現(xiàn)短切/連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料增材制造。打印裝置設(shè)置在加熱的艙室中，溫度可在100～350 ℃調(diào)節(jié)，成形精度±0.1 mm，最大成形速度30 m/min，成形平面校準(zhǔn)精度±50 μm，使用電壓110～240 V，可成形高玻璃態(tài)的樹脂基復(fù)合材料，如PEEK 等[16]。

圖1 基于預(yù)浸絲材的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)材增材制造 （a）成形原理；（b）MarkOne 成形設(shè)備 ；（c）成形樣件Fig. 1 AM of continuous-fiber-reinforced thermoplastic composites based on prepreg fibers （a）forming mechanism；（b）MarkOne printer；（c）sample component

（3）干絲原位浸漬增材制造工藝。與預(yù)浸絲打印最大的區(qū)別在于連續(xù)纖維直接采用纖維干絲，打印過程中纖維與樹脂同時(shí)送入同一個(gè)打印頭內(nèi)，在加熱作用下樹脂融化與纖維復(fù)合，之后復(fù)合材料擠出堆積成形三維零件。

俄羅斯Anisoprint 公司推出的桌面級(jí)短切/連續(xù)纖維復(fù)合增材制造設(shè)備（A3、A4 幅面）采用碳纖維與樹脂共擠技術(shù)（圖2），制備了復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，纖維含量可達(dá)60%。然而，由于碳纖維干絲與樹脂的預(yù)浸時(shí)間較短，界面結(jié)合率及成形零件的致密度有待提高。日本東京理科大學(xué)[35]開發(fā)出原位浸漬工藝實(shí)現(xiàn)了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的打印（圖3），打印之前，碳纖維需要先加熱，使樹脂能更容易在纖維與纖維之間滲透擴(kuò)散。纖維與樹脂的混合比例可以根據(jù)打印需求進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)纖維含量為6.6%時(shí)，拉伸強(qiáng)度與拉伸模量分別達(dá)到了200 MPa 與20 GPa。

圖2 基于共擠出的熱塑性復(fù)材增材制造 （a）Anisoprint 公司桌面級(jí)樣機(jī)；（b）點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)Fig. 2 AM of continuous-fiber-reinforced thermoplastic composites based on co-extrusion （a）forming mechanism and printer of Anisoprint；（b）printed lattice structures

圖3 連續(xù)纖維干絲原位浸漬增材制造 （a）工藝原理；（b）聚乳酸蜂窩樣件Fig. 3 AM of continuous-fiber-reinforced thermoplastic composites based on in-situ impregnation of fibers （a）forming mechanism；（b）PA honeycomb

在國內(nèi)，西安交通大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、武漢理工大學(xué)等也相繼開展了相關(guān)研究。西安交通大學(xué)是國內(nèi)最早開始研究連續(xù)纖維增材制造技術(shù)的團(tuán)隊(duì)，于2014 年率先提出了一種連續(xù)纖維原位浸漬增材制造工藝，成功實(shí)現(xiàn)了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)ABS 復(fù)合材料的打印?，F(xiàn)已開發(fā)出連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造設(shè)備，并建立了增材制造復(fù)合材料體系（碳纖維、芳綸纖維增強(qiáng)聚乳酸、尼龍、聚酰亞胺等），滿足航空航天應(yīng)用需求[36-39]。在連續(xù)碳纖維增強(qiáng)ABS 復(fù)合材料中，當(dāng)纖維含量為10%左右時(shí)，拉伸強(qiáng)度與拉伸模量分別達(dá)到了147 MPa與4.185 GPa，是純ABS 試樣的5 倍與2 倍左右[40]。如圖4 所示，在連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PEEK 復(fù)合材料中，該工藝在第1 階段的預(yù)處理中，碳纖維只與少量PEEK 復(fù)合形成碳纖維預(yù)浸絲，纖維含量等工藝參數(shù)調(diào)節(jié)主要通過控制第2 階段的PEEK 進(jìn)給來實(shí)時(shí)調(diào)控。CF/PEEK 復(fù)合材料存在著兩種弱結(jié)合界面。第1 層弱界面是由于碳纖維表面包裹的樹脂難以與熱塑性PEEK 有效結(jié)合而形成微觀弱界面；第2 層界面是由于擠出成型過程中已成型層在層間結(jié)合點(diǎn)溫度（約110 ℃）遠(yuǎn)低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度從而造成層間的弱結(jié)合界面。而這兩種弱結(jié)合界面使得CF/PEEK 復(fù)合材料樣件在彎曲載荷作用下容易發(fā)生層間剝離失效，無法做到高強(qiáng)度結(jié)合，需要進(jìn)一步優(yōu)化[41]。

圖4 連續(xù)纖維干絲原位浸漬增材制造工藝及材料缺陷分析Fig. 4 Defect analysis of AM samples by in-situ impregnation process

在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增材成形過程中，樹脂基體通常是以熔融態(tài)的形式與碳纖維表面浸潤，形成界面的質(zhì)量決定了纖維對(duì)樹脂的增強(qiáng)效果，而成形工藝影響了纖維/樹脂、線間、層間三類界面處孔隙缺陷的產(chǎn)生過程[42-43]。因此，針對(duì)三類界面在增材制造過程中的形成機(jī)理開展研究，并進(jìn)行制造工藝的反饋優(yōu)化，對(duì)于改善界面質(zhì)量，提升增材制造復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能有著極其重要的理論與實(shí)際意義[44]。

3 熱塑性復(fù)合材料增材制造裝備研制進(jìn)展

國內(nèi)外熱塑性復(fù)合材料增材制造裝備正在快速發(fā)展，從Stratasys 公司首次發(fā)明并注冊(cè)FDM 熔融沉積成形作為商標(biāo)，到Continuous Composites 首次發(fā)明連續(xù)纖維3D 打印，熱塑性復(fù)合材料增材制造裝備在短短不到10 年間已經(jīng)從桌面級(jí)發(fā)展到工業(yè)級(jí)大批量制造，并持續(xù)向著大型化、自動(dòng)化發(fā)展。目前國內(nèi)外市售的典型熱塑性復(fù)合材料增材制造裝備如表3 所示。

A，rced） Particles or filaments short fiber short fiber short fiber pport rced）PC，short fiber powder（short fiber reinfo A，EI，P SA，P ntinuous fiber, etc metals,SU，P issolvable su us fiber SU ntinuo powder, etc（F-PC powder, etc（, etc（rt fiber reinfo TG，A PP PP Kevlar co I filaments（I，PP SU PA（sho on, basalt continuous fiber KK，G EK PE PS S PP glass，A，STentsPE PP（short fiber reinforced）K，, glass fiber carb U，PE U TP -130（D U，uous fiber F-PE BS P，TP K，carbon K-CF，P carbon，glass co S，EE K，S contin EE material）filamK，reinforced）PC，A PU，P Applicable EI, etc EE C，EI, etc，K，EI，G K，PA，P PU，P PA，T PC，P reinforced）material AB reinforced）；PE PP，P EK EI，carbon，F(xiàn)，PA，T EE EE S，-P CF AB EK，P PE reinforced）EK，P I，PE , etc PA A，PL EK，P PE -C PA EK，P PE A，PL ceramics PA，P Almost all resins/fibers EK，P PE PA，P PA，P/ carbon PA printer Maximumg eratin op temperature/℃0 30 0 80220 300 1800 1250 mposite 3D 09———301380—201614——備裝造制1118 1500 1200 830材 molding 400 750 914 508 420 500 270 565 400 300 270 102增m 0×0×067×00×450 0×8×0×0×500×0×0×200×0×0×5×5×000×料335561503850254540422430材合Maximum size/m 500×550×1067×1 1000×5 914×610×380×500×1500×1 350×450×1200×1 Free scale 525×600×305×305×1000×1復(fù)性塑熱型 典dustrial grade thermoplastic co additive 3 ining表Table 3 Typical in trusion milling comb e pregnation nsolidation trusion Process technology S SL S SL M+FD subtractiv and S SL M FD M FD M FD M FD F FG M FD M FD M FD M/in-situ im FD M/towpreg ex FD M/ co-extrusion with towpreg FD M/in-situ co FD AM CB Towpreg ex ent c 0m 21 additive equipm F400 1001P P500 90T Model of 0US RY ST T-15+ 175C 500 OM -2 S 23 610H M2 EO ro F500 N GE UA sP Atlas-HS Flight HT RT FO O PR DU AM IN RM T-JE AS 50 Pro P3AO HA 3D CF 20 FX PR IS Fiber CB AQ s System Gence us rged O EV S D N3GE Anisoprint Producer EO any pro le-objects Germ United States 3D China Farsoon Israel Stratasys China Intamsys United States 3D China Raise3D China Iemai China 3D Canada AO Holland HA United States Continuo osites Comp United States Markfo xembourg Lu United States Desktop metal possib Im United States AR

美國MarkForged 公司推出了復(fù)合材料增材制造系列設(shè)備Markone、Marktwo、X7 及X20，能夠使用碳纖維和其他復(fù)合材料直接制造出短切/連續(xù)纖維復(fù)合增強(qiáng)樹脂零件。設(shè)備的2 個(gè)打印頭分別使用尼龍，以及碳纖維、玻璃纖維等高強(qiáng)度纖維材料，打印層厚50～125 μm，平面度在80 μm 內(nèi)，碳纖維尼龍打印制件抗拉強(qiáng)度700 MPa，彎曲強(qiáng)度50 GPa，表面粗糙度Ra小于3.2 μm，成形效率最高300 g/h。

俄羅斯Anisoprint 公司2021 年推出工業(yè)級(jí)短切/連續(xù)纖維復(fù)合增材制造設(shè)備，有效成形體積600 mm×420 mm×300 mm。設(shè)備改進(jìn)了共擠技術(shù)，配置有高溫恒溫艙，成形致密度大幅提高。先沉積短切纖維，然后將連續(xù)纖維直接擠壓并輥軋?jiān)诙糖欣w維坯料上，可實(shí)現(xiàn)PEEK+短切/連續(xù)纖維復(fù)合的增材制造，纖維含量可達(dá)60%以上，打印速度不小于60 cm3/h，可打印座椅支架等各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)（圖5）。

圖5 Anisoprint 公司短切/連續(xù)纖維復(fù)合增材制造工業(yè)級(jí)設(shè)備與零件Fig. 5 Anisoprint company’s short-cut/continuous fiber reinforced composite equipment and products

美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合Cincinnati Incorporated 公司開發(fā)出的大面積增材制造系統(tǒng)（BAAM）采用五軸機(jī)床式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了各類大型短切纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料零件的制造，最大尺寸達(dá)到6 m×2.5 m×1.8 m。此外，美國Thermwood 公司開發(fā)的大尺寸增材制造系統(tǒng)（LSAM）采用雙頭結(jié)構(gòu)，材料擠出速率為226 kg/h，制造了30 m×3 m×1.5 m的直升機(jī)槳葉成型模具，材料為含有25%短碳纖維的聚砜PSU 塑料。Thermwood 公司還與Applied Composite Engineering 公司、Techmer PM 公司、普渡大學(xué)共同研制了聚砜PSU 塑料增材制造模具，用于契努克直升機(jī)復(fù)合材料滴油盤的熱壓罐成形。

荷蘭CEAD 公司的增材制造系統(tǒng)采用打印頭行走X/Y向運(yùn)動(dòng)，底版Z向運(yùn)動(dòng)的模式，可成形短纖維和連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，打印制件的尺寸可達(dá)到4 m×2 m×1.5 m，材料擠出速率為15 kg/h。針對(duì)復(fù)合材料高溫制造的需求，CEAD 設(shè)計(jì)了四個(gè)加熱區(qū)的高溫系統(tǒng)，最高可達(dá)400 ℃，這使得擠出各種纖維增強(qiáng)的熱塑性材料成為可能，如PEEK，以及Arnite 50%玻璃纖維增強(qiáng)PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）和碳填充PESU（聚醚砜）。

美國ArevoLabs 公司致力于工業(yè)級(jí)的碳纖維增材制造設(shè)備開發(fā)，用于增材制造的新型碳纖維和碳納米管（CNT）增強(qiáng)型高性能材料，并借助獨(dú)有的制造技術(shù)和軟件算法生產(chǎn)產(chǎn)品級(jí)的零部件。ArevoLabs 的核心工藝采用激光束熔化新一層的聚合物細(xì)絲和上一層沉積打印的材料，形成液-液界面。同時(shí)，使用一個(gè)滾軸施加壓力，將層與層之間的孔隙率降低至1%以下，達(dá)到消除分層橫截面的目的。ArevoLabs 公司在2015 年推出了首款機(jī)械臂增材制造平臺(tái)（RAM）。該平臺(tái)基于ABBRobotics 公司的商用6 軸機(jī)器人及FDM 增材制造系統(tǒng)，末端執(zhí)行器包括一個(gè)用于處理高性能碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的熱管理加工頭，可制造出高性能的復(fù)雜構(gòu)件，成形體積范圍1000～8000 mm3。

美國MasterPrint 公司連續(xù)纖維增材制造系統(tǒng)集合了工業(yè)機(jī)器人及末端執(zhí)行器、原位檢測(cè)、智能監(jiān)測(cè)與機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，可快速輸送、沉積連續(xù)纖維增強(qiáng)體以及基體樹脂并原位浸漬、固化（圖6）。與傳統(tǒng)的自動(dòng)鋪絲成形以及熔融沉積成形等工藝相比，自動(dòng)化程度和柔性更高，對(duì)于典型的碳纖維/PEEK 零件，研發(fā)周期可縮短至原來的1/30，生產(chǎn)速度可提高100 倍。連續(xù)纖維增材制造設(shè)備可以由多機(jī)器人組成柔性單元，機(jī)器人上還可添加多個(gè)增材制造末端執(zhí)行器，打印頭可支持碳纖維、凱夫拉、玻璃纖維甚至光纖和金屬絲等材料。該技術(shù)既可以用于大批量生產(chǎn)復(fù)合材料零件，也可以進(jìn)行復(fù)雜零件的研制。

圖6 MasterPrint 公司的熱塑性復(fù)材增材制造 （a）設(shè)備；（b）改進(jìn)后的設(shè)備；（c）復(fù)材葉片樣件Fig. 6 AM of thermoplastic composite by MasterPrint （a）equipment ；（b）improved equipment；（c）composite blade sample

美國Electroimpact 公司開發(fā)了“可升級(jí)的復(fù)合材料機(jī)器人增材制造（scalable composite robotic additive manufacturing，SCRAM）”的技術(shù)，整合了熔融長絲制造（FFF）增材制造與熱塑性自動(dòng)纖維鋪放（AFP）系統(tǒng)。該系統(tǒng)由機(jī)器人、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和溫控室組成。末端執(zhí)行器攜帶多個(gè)材料系統(tǒng)來打印可溶性的支撐材料（工裝）、連續(xù)的纖維帶材和短切纖維材料。每一次打印，都是從機(jī)器人將支撐材料沉積到構(gòu)建平臺(tái)上開始的。隨后，機(jī)器人自動(dòng)切換，以打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和短切纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，從而生產(chǎn)出部件。這種連續(xù)纖維采用原位固結(jié)的方式沉積，其中，帶材被激光焊接到基板上并在此過程中被壓實(shí)。如此獲得的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料部件，可以達(dá)到非熱壓罐工藝所能實(shí)現(xiàn)的孔隙率水平。

4 發(fā)展趨勢(shì)與展望

當(dāng)前，美歐增材制造技術(shù)開發(fā)商與機(jī)器人制造商已共同開發(fā)了一系列先進(jìn)的連續(xù)纖維增材制造設(shè)備與制造工藝。未來材料體系將從普通工程塑料拓展到PEEK、PPS 等高性能特種工程塑料，并以大纖度纖維進(jìn)一步提高材料的綜合性能；連續(xù)纖維增材制造設(shè)備也將向大型化、集成化發(fā)展，進(jìn)一步降低制造成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，滿足航空航天等領(lǐng)域不斷增長的需求。

在短切纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)材的增材制造方面，短切纖維的加入可以減小半晶聚合物的結(jié)晶速率，有利于防止加工過程中發(fā)生翹曲變形，其打印工藝簡單、可靠性高、成形速度快。此外，短切纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)材具有良好的回收性能，增材制造零件可以再進(jìn)行焊接、修復(fù)或與減材結(jié)合獲得更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，也可用于太空制造以節(jié)約成本。未來，短切纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的增材制造在驗(yàn)證件快速制備、柔性庫存供應(yīng)、緊急修復(fù)制造等方面有較大應(yīng)用前景。

面對(duì)國外技術(shù)飛速發(fā)展的勢(shì)頭，我國應(yīng)加強(qiáng)情報(bào)跟蹤研判，聯(lián)合原材料、機(jī)器人、末端執(zhí)行器、增材制造軟件、傳感器、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)控系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)企業(yè)。在當(dāng)今國際環(huán)境下，碳纖維及其相關(guān)復(fù)合材料與高端制造裝備受到國外的技術(shù)封鎖。開發(fā)若干系列自主可控的熱塑性復(fù)合材料增材制造技術(shù)工藝和裝備，支撐我國制造業(yè)提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，是迎接未來航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造面臨的高速、低成本競爭，滿足未來以無人機(jī)為代表的航空裝備低成本大批量制造的迫切需求。