熔融擠出工藝（FDM）具有打印靈活、低成本、操作簡單、材料浪費少和環(huán)境友好等特點，在商業(yè)上具有廣闊的發(fā)展前景。材料是促進FDM 3D打印機發(fā)展的關(guān)鍵，目前常用于FDM打印機上的聚合物有PLA、ABS、PA、PP、PCL、PEEK等，但是該類材料存在的共性問題就是打印制件機械強度較差，限制了其在工程結(jié)構(gòu)件方面的應(yīng)用。為了提升FDM打印部件的機械性能并滿足承重要求，纖維增強聚合物復(fù)合材料被越來越多地引入到FDM加工中，這在工業(yè)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。?

圖1 FDM工藝打印的纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用

研究人員發(fā)現(xiàn)，添加單一類型的短纖維或連續(xù)纖維往往會增加復(fù)合材料的某些機械性能，但同時會降低其他機械行為。因此，不能只通過使用一種纖維來達到復(fù)合材料的性能平衡。為了克服上述缺點和限制，多種纖維混合和多種混合形式（下文統(tǒng)稱混合纖維）可以減少短纖維和連續(xù)纖維的弱點，可全面提升制件機械性能且可自由設(shè)計制件其它性能，該項工藝受到研究人員的關(guān)注。

(資料圖)

2023年4月，中南大學(xué)的研究團隊在《Composites Communications》雜志上發(fā)表題為“Advances in hybrid fibers reinforced polymer-based composites prepared by FDM: A review on mechanical properties and prospects”的綜述，該文旨在關(guān)注目前通過FDM技術(shù)制備的3D打印混合纖維增強聚合物（FRP）復(fù)合材料的研究。介紹了混合纖維增強復(fù)合材料的設(shè)計原則（圖2）、混合材料類型及常見材料（表1）、打印方法及工藝（圖3）?；旌侠w維增強復(fù)合材料打印方法主要分為兩類：預(yù)浸法（預(yù)混絲材）和原位浸漬法（圖3）。文章充分探討了三種不同混合種類下打印的混合復(fù)合材料的機械性能，包括拉伸、彎曲、層間剪切強度（ILSS）和準靜態(tài)壓痕（QSI）行為，研究了變形和失效行為，最后討論了3D打印混合纖維增強復(fù)合材料的局限性，并期待混合復(fù)合材料的3D打印性能得到改善。

圖2 材料和結(jié)構(gòu)層面下的3D打印混合纖維增強復(fù)合材料的設(shè)計

表1 用于FDM 3D打印混合復(fù)合材料的混合類型和材料

圖3 用于纖維增強復(fù)合材料3D打印的主要FDM工藝示意圖

(a-b)預(yù)浸法；(c-f)原位浸漬法

纖維增強方式

按照混合材料方式的不同，將混合纖維復(fù)合材料分為：

短-短纖維增強復(fù)合材料，即采用兩種短纖維與聚合物基體形成預(yù)浸絲材；

連續(xù)-短纖維增強復(fù)合材料，即采用一種含連續(xù)纖維和短纖維增強的預(yù)浸絲材（單噴頭打印），或采用長纖（預(yù)浸法或原位浸潤法制備）和預(yù)浸了短纖的兩束復(fù)合絲材一起使用（雙噴頭打?。?；

連續(xù)-連續(xù)纖維增強復(fù)合材料，即采用兩種絲材增強聚合物基體。

為便于下文的理解，此處需要特別指出的是連續(xù)纖維的加入可以通過兩種不同的方法來實現(xiàn)：

第一種方法是使用預(yù)先浸漬的連續(xù)纖維絲，這些纖維絲已經(jīng)嵌入熱塑性基質(zhì)，可以立即擠出；第二種方法是將打印頭中的連續(xù)纖維與周圍的熱塑性基質(zhì)合并，然后將其沉積在底板上。

這兩種方法都有商用的3D打印系統(tǒng)和相應(yīng)的絲材，過程示意圖可見圖4。在大多數(shù)系統(tǒng)中，都使用雙擠出頭，這既可應(yīng)用連續(xù)的纖維增強，也可擠壓純熱塑性材料。

圖4 在擠出過程中引入連續(xù)纖維的方法:(a)帶有預(yù)先浸漬的纖維長絲;(b)?在打印頭上浸漬纖維

1. 短-短纖維增強復(fù)合材料

對于預(yù)浸法短-短纖增強復(fù)合材料，一個噴頭即可完成打印，打印路徑是連續(xù)的，不需要切割裝置，不存在換層過程中的切割。

以基于ABS的混合短碳纖維和凱夫拉纖維填充的復(fù)合材料具有不同柵格方向和構(gòu)建方向的力學(xué)性能及形態(tài)結(jié)構(gòu)為例，短碳纖維和短凱芙拉纖維的加入增加了ABS材料的抗彎性、延展性及能量吸收能力。具有兩種短混合纖維增強的復(fù)合材料比未增強和單纖維增強的材料相比具有更好的機械性能，但需要注意到的是，短纖維在工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的剛度和強度仍然有限。

短單纖維增強絲材（來自Raise3D，左圖為傳統(tǒng)填充，右側(cè)為內(nèi)部填充短纖，外殼為聚合物，可減少噴頭磨損）

2. 連續(xù)-短纖維增強復(fù)合材料

對于預(yù)浸法連續(xù)-短纖增強復(fù)合材料，若是采用含連續(xù)纖維和短纖維增強的單絲打印，則只需要一個噴頭即可完成打印過程，F(xiàn)DM設(shè)備不需要切割裝置。但是若是采用一個噴頭擠出含有短纖的聚合物預(yù)浸絲材，另外一個噴頭擠出含有長纖維的聚合物絲材或者單純的長纖絲材（含有短纖的聚合物絲材填充邊緣，長纖絲材填充內(nèi)部），此時打印下一層的時候就需要兩個噴頭交替打印，（該FDM設(shè)備需要配備切割裝置）需要切割。

相對于短-短纖維增強復(fù)合材料，連續(xù)纖維增強短纖維增強復(fù)合材料強度更高，后者是使用長纖增強已經(jīng)混合了短纖維絲材的一種方式，其擁有更多的短纖維層-短纖維層、短纖維層-連續(xù)纖維層界面，具有更好的界面強度，因此具有更高的拉伸性能。影響此類增強復(fù)合材料強度的主要因素是纖維材料本身性能、打印參數(shù)、界面結(jié)合能力，其中界面結(jié)合能力是關(guān)鍵，為改善層間粘結(jié)性能，通常通過熱處理降低界面間孔隙率。?

長纖維增強方式，若基質(zhì)絲材中添加了短纖，則為長纖增強復(fù)合基質(zhì)材料

3. 連續(xù)-連續(xù)纖維增強復(fù)合材料

連續(xù)-連續(xù)纖維增強復(fù)合材料是在打印過程中添加兩種纖維增強材料，填充的方式有三種：（a）層間混合，不同纖維材料的交替層；（b）層內(nèi)混合，纖維材料在每層上形成規(guī)則或不規(guī)則混合物；（c）纖維內(nèi)混合，是將兩束不同的纖維預(yù)先組合成一束，在進行原位打印。

連續(xù)/連續(xù)纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的示意圖

(a)層間混合結(jié)構(gòu)，(b)層內(nèi)混合結(jié)構(gòu)，(c)纖維內(nèi)混合結(jié)構(gòu)

層內(nèi)混合制備混合FRP復(fù)合材料示意圖及圖片

3D打印制造的局限性

1)打印工藝的局限性。到目前為止，有兩種FDM打印技術(shù)來制造混合纖維復(fù)合材料。然而，通過預(yù)浸法和原位打印法制備的復(fù)合材料都顯示出局限性。對于打印含有長纖預(yù)浸的絲材或直接填充長纖，每層需要多次切割纖維且更換纖維需要時間，這導(dǎo)致制造效率低下。對于原位浸漬法，纖維的不完全浸漬使得混合纖維和基體之間的粘合行為不佳。浸漬性能差的原因是：（1）熔融熱塑性塑料的粘度高，浸漬時間極短，打印過程中缺乏壓力；（2）由于混合干纖維束的浸漬困難，基體分布不均勻和浸漬不良，可能導(dǎo)致混合纖維和聚合物在逐層打印過程中出現(xiàn)孔隙。

2)材料選擇的局限性。在目前的研究中，用于FDM打印的復(fù)合材料的混合材料選擇很少，主要由短纖維和連續(xù)纖維組成，包括碳纖維、凱夫拉纖維和玻璃纖維。盡管這些混合纖維與那些原始或單一纖維填充的材料相比，顯示出協(xié)同增強的效果，但在工業(yè)上的應(yīng)用仍然有限。

3)界面結(jié)合處機械性能弱。有關(guān)FDM打印的的混合復(fù)合材料的一個重要問題是在界面結(jié)合處獲得的機械性能較弱。然而，盡管通過調(diào)整打印參數(shù)和制件進行后處理可改善該問題，但最終的結(jié)合強度值還是低于基礎(chǔ)材料。造成界面結(jié)合處機械性能弱的原因是：（1）固體纖維和液體樹脂本身不相溶，分子間擴散降低，得到的界面不連續(xù)、突兀，降低了機械性能；（2）在FDM打印過程中壓力較小，導(dǎo)致制造的復(fù)合材料出現(xiàn)一定的空隙，造成材料斷裂后出現(xiàn)明顯的分層和脫粘。

未來挑戰(zhàn)

1)提高浸漬度，增強機械性能。通過多次原位浸漬工藝和擠出噴嘴的壓力裝置設(shè)計，提高浸漬度，可以提高3D打印玻璃鋼復(fù)合材料的機械性能。樹脂的濃度對浸漬纖維束的質(zhì)量有很大的影響，增加浸漬樹脂的濃度可以減少浸漬纖維束中的空氣空隙數(shù)量，從而使纖維和基體之間有更好的界面。對于預(yù)浸料擠出方法，涉及兩個以上預(yù)浸料纖維擠出頭的組合方法可以節(jié)省生產(chǎn)時間和成本。另外，可以用混合纖維和多基體樹脂來制造復(fù)合材料，以增強纖維和基質(zhì)之間的界面。因為不同的基體樹脂所擁有的不同性能可以改善材料之間的擴散和接觸。

2)增加其他功能特性。3D打印混合復(fù)合材料的材料選擇不僅是為了提高機械強度，還需要關(guān)注其它功能特性，如用于自我檢測的導(dǎo)電性、用于防火的疏水性、用于緩沖的多孔性和用于環(huán)保的可降解性等。比如，在打印復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中加入更多的光導(dǎo)纖維可用來監(jiān)測健康狀態(tài)或?qū)崿F(xiàn)健康自我監(jiān)測。

3)模塊化、功能化、承重化。拓寬3D打印混合復(fù)合材料應(yīng)用的另一個未來挑戰(zhàn)是制造具有模塊化、功能和承重性的產(chǎn)品?；旌蠌?fù)合材料的最大優(yōu)勢之一是可以同時使用多種材料來制造一個物體，這對于制造由不同部分組成的控制部件來說是非常理想的。此外，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用于打印混合纖維填充的復(fù)合材料，以滿足更多的承重要求。

4)纖維表面改性及設(shè)計界面幾何形狀增加界面結(jié)合力。預(yù)浸料纖維的表面改性可能會增強層與層之間的粘合力，并進一步增加纖維和基體之間的界面強度。此外，還可以正確設(shè)計界面幾何形狀使其能實現(xiàn)機械互鎖，增加界面阻力，增加界面結(jié)合力。

5)改善界面梯度。在不同材料之間（纖維和基體之間）形成有連續(xù)的梯度的界面，而不是突兀的界面，所制造的零件往往比有離散梯度的零件具有更好的機械性能和更好的粘合強度。

除以上挑戰(zhàn)外，纖維增強復(fù)合材料對3D打印噴嘴的要求更高。纖維增強復(fù)合材料在擠出3D打印過程中，標準的黃銅噴嘴很容易被纖維磨損。3D打印技術(shù)參考注意到，當(dāng)前商業(yè)的打印機通常采用專用噴嘴來打印纖維增強復(fù)合材料。以Raise3D E2CF為例，其配備了更堅硬的碳化硅噴嘴，以解決復(fù)合材料磨損噴嘴的問題。

Raise3D碳纖維打印的高溫水管道泵

其他可打印纖維增強復(fù)合材料的國內(nèi)品牌還有一邁智能、陜西聚高、斐帛科技以及遠鑄智能等。這些公司在短纖增強和長纖增強技術(shù)商業(yè)化方面實現(xiàn)了不同的成績。

END

FDM打印過程中混合不同類型纖維可以說是復(fù)合材料科學(xué)和智能制造技術(shù)發(fā)展的偉大成就之一。因此，具有優(yōu)異綜合性能的混合纖維增強復(fù)合材料在未來聚合物復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)用中具有巨大的潛力。最近，研究界進行了許多研究，以開發(fā)不同類型的混合纖維用于聚合物復(fù)合材料。盡管研究人員一直致力于開發(fā)用于各種用途的混合纖維增強3D打印聚合物復(fù)合材料，但它仍處于在實際產(chǎn)品上實現(xiàn)的初級階段，需要更多研究者加入到該項研究中。

注：本文內(nèi)容由3D打印技術(shù)參考整理編輯，轉(zhuǎn)載請點擊轉(zhuǎn)載須知。

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