摘 要 3D打印技術(shù)是一種將材料、電氣、機(jī)械、數(shù)控和計(jì)算機(jī)技術(shù)集成到一起的新型成型技術(shù)，具有材料利用率高、成本低、工藝簡(jiǎn)單易行等特點(diǎn)；纖維復(fù)合材料，是一種具有高比強(qiáng)度、比模量、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的材料。而3D打印纖維復(fù)合材料的制備，是3D打印制造領(lǐng)域與玻璃鋼材料制備的交叉研究方向。本文介紹了3D打印工藝在纖維復(fù)合材料領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)、成型方法，闡述了3D打印在該領(lǐng)域的研究意義、技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)機(jī)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述分析，最后對(duì)該研究的未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 3D打??；復(fù)合材料；纖維增強(qiáng)；成型方法

Research Progress of 3D Printed Fiber Composites Used in Aerospace Field

WANG Lichao， LI Xiang， YI Cuiyun， LI Jinru

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT 3D printing technology is a new molding technology integrating materials， electricity， machinery， numerical control and computer technology， which has the characteristics of high material utilization rate， low cost and simple process. Fiber composite is a kind of material with high specific strength， specific modulus and strong designability. The preparation of 3D printing fiber composites is the cross research direction between 3D printing manufacturing field and FRP material preparation. This paper introduces the advantages and molding methods of 3D printing technology in the field of fiber composites， expounds the research significance and technical difficulties of 3D printing in this field， summarizes and analyzes the latest research progress of advanced institutions at home and abroad in the aerospace field， and finally looks forward to the future development direction of this research.

KEYWORDS 3D printing; composite materials; fiber reinforcement; forming method

1 引言

伴隨著世界制造能力的飛速發(fā)展、工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025新時(shí)代的到來，智能化、數(shù)字化已成為全球制造業(yè)發(fā)展的主要方向，3D打印技術(shù)作為（又稱增材制造）智能制造時(shí)代的一種新興技術(shù)，正在各行各業(yè)中扮演著重要角色，3D打印技術(shù)又被稱為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一，因此也吸引了大眾的高度關(guān)注［1-3］。

3D打印技術(shù)是一種將材料、電氣、機(jī)械、數(shù)控和計(jì)算機(jī)技術(shù)集成到一起的新型成型技術(shù)，在過去的幾年中，由于3D打印技術(shù)具有材料利用率高、成本低、工藝簡(jiǎn)單易行等特點(diǎn)，在成型復(fù)雜形狀產(chǎn)品方面更具優(yōu)勢(shì)，3D打印技術(shù)目的是實(shí)現(xiàn)三維零件的無模成型，減少制造成本，縮短零件的整個(gè)設(shè)計(jì)、制造周期。因其可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀的制造能力，導(dǎo)致制造業(yè)對(duì)3D打印的興趣大大增加。這些特性使得3D打印結(jié)構(gòu)可以直接應(yīng)用于各種環(huán)境中，3D打印技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于不同的工程領(lǐng)域（機(jī)械，生物醫(yī)學(xué)，航空航天，電子等）。例如，2020年5月，由中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司研制的新一代載人飛船試驗(yàn)船，搭載“復(fù)合材料空間 3D打印系統(tǒng)”按計(jì)劃在軌正常飛行，該系統(tǒng)成功完成了纖維復(fù)合材料樣件打印工作，驗(yàn)證了微重力環(huán)境下復(fù)合材料 3D 打印的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，本研究是人類歷史上首次成功開展的“連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料太空 3D 打印”實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步挖掘 3D打印在航天領(lǐng)域的應(yīng)用潛力與價(jià)值［4］。事實(shí)上，通過3D打印技術(shù)，創(chuàng)建和修改數(shù)字模型并將其快速轉(zhuǎn)換為物理對(duì)象的可能性，為產(chǎn)品定制、工藝成本降低和設(shè)計(jì)的多功能性提供了許多機(jī)會(huì)。這些技術(shù)可以處理的材料包括聚合物、金屬、粉末、纖維、陶瓷、粘土和食品［5］。

隨著3D打印技術(shù)和纖維復(fù)合材料的不斷發(fā)展，兩者的結(jié)合為制造業(yè)、環(huán)境保護(hù)和科技創(chuàng)新帶來了巨大推動(dòng)。制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)、節(jié)能減排和資源利用、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)和科技競(jìng)爭(zhēng)力都將因3D打印纖維復(fù)合材料的應(yīng)用而實(shí)現(xiàn)新的突破。當(dāng)今，對(duì)結(jié)構(gòu)和功能可定制的3D打印材料需求不斷增長(zhǎng)，聚合物仍然扮演主導(dǎo)角色。連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料因其具有高的比強(qiáng)度、比模量、可設(shè)計(jì)性，在航空、航天、汽車等輕量化結(jié)構(gòu)件中扮演者越來越重要的角色。采用3D打印纖維復(fù)合材料，是用最少的工具快速制造復(fù)合材料物體的理想方法。

2 成型方法

經(jīng)過多年的發(fā)展以及技術(shù)沉淀，3D打印工藝突破了傳統(tǒng)零件依賴多工序結(jié)合進(jìn)行制造的方式，基于“離散堆積”的思想，能根據(jù)零件的三維數(shù)字化模型直接制造出實(shí)體零件。發(fā)展至今，3D打印技術(shù)已經(jīng)衍生出多種成型工藝，其中適用于航空復(fù)合材料制造的技術(shù)主要有定向能量沉積（DED）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、材料擠出（ME）、立體光刻（SLA）、分層實(shí)體制造（L0M）、熔融沉積成型（FDM）等。黨樂等［6］對(duì)3D打印復(fù)合材料制造技術(shù)所需要的原材料、原理和特點(diǎn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的總結(jié)，見表1。

3 3D打印復(fù)合材料技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用

3D打印纖維復(fù)合材料技術(shù)最初起源于國(guó)外，經(jīng)過多年的發(fā)展日漸成熟。目前國(guó)外已經(jīng)有多個(gè)相關(guān)應(yīng)用案例［7-12］。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步相對(duì)較晚，近些年哈爾濱工業(yè)大學(xué)、武漢理工大學(xué)等高校研究所在該技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究并積累了大量的經(jīng)驗(yàn)［13-16］，但在技術(shù)上較國(guó)外先進(jìn)機(jī)構(gòu)仍存在差距。

3D打印纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用是一項(xiàng)具有巨大潛力的技術(shù)。通過3D打印技術(shù)和纖維復(fù)合材料結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的快速制造。傳統(tǒng)的纖維復(fù)合材料成型工藝往往需要復(fù)雜而昂貴的模具，而3D打印技術(shù)可以直接將零件從數(shù)字設(shè)計(jì)文件轉(zhuǎn)化為實(shí)體，消除了模具的需求，降低了制造成本和周期。此外，3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀高度定制化的制造，包括傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)件，根據(jù)具體要求調(diào)整纖維分布和層疊方式，提高結(jié)構(gòu)件的性能。例如，復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和集成傳感器的部件提高了飛機(jī)的性能和安全性。

3.1 國(guó)外研究進(jìn)展

美國(guó)3D打印纖維復(fù)合材料技術(shù)一直走在世界前列。美國(guó)航空航天局與路易斯維爾大學(xué)和美國(guó)空軍合作在3D打印纖維復(fù)合材料方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。利用熱固性聚酰亞胺樹脂和碳纖維，通過選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了具有耐高溫屬性的復(fù)合材料部件生產(chǎn)。在這項(xiàng)技術(shù)中，熱固性聚酰亞胺樹脂被用作填充材料，并經(jīng)過選擇性激光燒結(jié)后進(jìn)行固化，以提高其耐熱性能。該技術(shù)的成功應(yīng)用使得復(fù)合材料部件的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到了370 ℃。

作為全球最大的雷達(dá)與軍艦制造商之一，諾斯羅普·格魯于2022年9月宣稱，已在碳/碳復(fù)合材料3D打印技術(shù)上取得了重大突破。該公司生產(chǎn)的復(fù)雜的耐熱構(gòu)件致力于制造高超音速和其它高速武器。

3.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

在新一代載人飛船實(shí)驗(yàn)船在軌飛行任務(wù)中，由我國(guó)529廠—西交大團(tuán)隊(duì)共同研制的“連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料太空3D打印裝備”實(shí)現(xiàn)了國(guó)際首次連續(xù)纖維復(fù)合材料太空環(huán)境增材制造技術(shù)，為我國(guó)未來在軌制造零件提供了技術(shù)儲(chǔ)備。

中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院航天材料及工藝研究所采用連續(xù)增材制造系統(tǒng)，研制了長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭上的一個(gè)重要部件—級(jí)間解鎖裝置保護(hù)板，該保護(hù)板采用3D打印高分子材料，安裝更為靈活便捷，表面的紅色噴漆具有防水、防鹽霧功能，可起到良好的防護(hù)作用。該部件的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)新型大幅面增材制造裝備的應(yīng)用驗(yàn)證。

4 未來挑戰(zhàn)和發(fā)展方向

4.1 3D打印纖維復(fù)合材料面臨的挑戰(zhàn)

（1）挑戰(zhàn)之一是選擇合適的纖維和基體材料，因?yàn)椴煌睦w維和基體材料的結(jié)構(gòu)和物化特性不同，容易導(dǎo)致打印過程中的溫度、黏度不匹配等問題。此外，還需要解決纖維排列方向、過多纖維導(dǎo)致堵塞、纖維方向可能會(huì)分層等問題。

（2）另一個(gè)挑戰(zhàn)是打印過程中纖維使用量的控制。如果纖維太少，會(huì)導(dǎo)致3D打印的強(qiáng)度不夠，如果纖維太多，會(huì)導(dǎo)致打印機(jī)不能正常工作。同時(shí)，還需要考慮纖維長(zhǎng)度、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素，以確保產(chǎn)品在力學(xué)性能上滿足需求。

4.2 3D打印纖維復(fù)合材料未來發(fā)展方向

（1）開發(fā)新型纖維復(fù)合材料的材料設(shè)計(jì)與合成。目前市面上大部分的3D打印材料還是傳統(tǒng)的金屬、塑料等單一原料，針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景，新型材料的研究和開發(fā)是未來一個(gè)重要的發(fā)展方向。

（2）發(fā)展更加精密高效的3D打印技術(shù)。新的制造技術(shù)和軟件可以使復(fù)雜的纖維復(fù)合材料得以精準(zhǔn)地定位和控制，同時(shí)，在3D模型構(gòu)建和設(shè)計(jì)中融入材料、機(jī)器和應(yīng)用的全過程，以便更加合理地規(guī)劃3D打印的過程。

（3）向數(shù)字化制造技術(shù)方向擴(kuò)展。數(shù)字化技術(shù)可以更加有效地利用數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行數(shù)字化的材料分析、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)控制，大大縮短了復(fù)合材料的開發(fā)周期、降低其成本，為3D打印的未來發(fā)展提供了新的思路和方向。

5 結(jié)語

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料經(jīng)歷了多年的發(fā)展，在航空、航天、武器裝備等諸多重要領(lǐng)域輕量化方面扮演者越來越重要的角色，3D打印工藝因其在先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，而備受各國(guó)追捧。我國(guó)是航空航天大國(guó)，因此開展該技術(shù)的深入研究，直接關(guān)系到我國(guó)空天領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展以及國(guó)防安全。我國(guó)在該領(lǐng)域起步晚，近些年在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展，3D打印逐漸吸引了越來越多的學(xué)者，但仍面臨著工藝成熟度低、技術(shù)儲(chǔ)備不足以及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)欠缺等問題，在成型材料、成型工藝、成型設(shè)備等前沿領(lǐng)域方面具有很大的發(fā)展空間。

3D打印開啟了新型制造模式，為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供服務(wù)。作為一項(xiàng)剛剛興起的新技術(shù)，3D打印纖維復(fù)合材料將以集智能物聯(lián)、傳感監(jiān)測(cè)、智能診斷、動(dòng)態(tài)工藝為一體為發(fā)展目標(biāo)，助力纖維復(fù)合材料在高新技術(shù)領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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通訊作者：王立超，男，碩士研究生，助理工程師。研究方向?yàn)閺?fù)合材料制造工藝。E-mail：1939499950@qq.com