最近波音公司在開(kāi)發(fā)(fā)連續(xù)樹(shù)脂基復合材料3D打印技術(shù)(shù)，通過(guò)光固化的技術(shù)(shù)來(lái)制造復合材料產(chǎn)(chǎn)品。

根據(jù)性能要求來(lái)設計材料。其基本原理包括，通過(guò)輸送機構(gòu)推動(dòng)絲材的運動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的3D打印過(guò)程，其中絲材包括非樹(shù)脂組分和光聚合樹(shù)脂組分。進(jìn)給機構(gòu)包括相對的輥子和與至少一個(gè)相對的輥子接觸的刮刀。

通過(guò)輸送導向器沿著(zhù)打印路徑沉積一段連續(xù)柔性絲材，然后沿著(zhù)打印路徑沉積的連續(xù)柔性絲材的一部分提供固化能量，通過(guò)使用刮刀去除光聚合樹(shù)脂組分的殘余物。

連續(xù)柔性絲材包括預浸料復合材料和非樹(shù)脂組分，包括一種或多種纖維材料，例如碳纖維，玻璃纖維，合成有機纖維，芳族聚酰胺纖維，天然纖維，木材纖維，硼纖維，碳化硅纖維，光纖，纖維編織物，金屬線(xiàn)，導線(xiàn)等。連續(xù)柔性絲材與增塑劑層疊以制造復合材料部件。

而具體采用哪一種材料，則需要根據(jù)所需要實(shí)現(xiàn)的物理特性來(lái)決定，這些物理特性包括強度，剛度，柔韌性或硬度等。不過(guò)除了強度，硬度，柔韌性，硬度的考慮，有時(shí)候還可以擴展到顏色、發(fā)(fā)光、導電性，導熱性等方面的精確選擇。

在加工過(guò)程中，除了可采用紫外線(xiàn)來(lái)固化聚合物樹(shù)脂，還可以采用紅外光或者X射線(xiàn)。

或許你會(huì )好奇為什么波音公司要開(kāi)發(fā)(fā)這樣的材料，其實(shí)在波音公司宣布將600多件3D打印部件用于波音的Starliner太空出租車(chē)之時(shí)，這也意味著(zhù)塑料代替輕質(zhì)(zhì)金屬合金將成為交通工具領(lǐng)域的一大趨勢。

波音公司開(kāi)發(fā)(fā)的連續(xù)樹(shù)脂基復合材料3D打印技術(shù)(shù)不僅僅適用于航空航天應用，還可以應用于其他行業(yè)(yè)，可以在車(chē)輛、海上交通工具、航天器等應用。

市場(chǎng)上的連續(xù)纖維增強樹(shù)脂基復合材料的3D打印方法存在以下主要問(wèn)題：

- 各類(lèi)纖維在出廠(chǎng)時(shí)，其表面活性基團均只適應于與熱固性樹(shù)脂的浸潤過(guò)程。在使用簡(jiǎn)單的措施將未處理的纖維與熔融熱塑性樹(shù)脂共混時(shí)，難以使纖維與樹(shù)脂充分浸潤，這導致構(gòu)件的纖維-樹(shù)脂界面較差。

- 大絲束纖維呈展平帶狀，現(xiàn)有3D打印方法難以使用大絲束纖維，且小絲束纖維在成型過(guò)程中成型速度慢，成型后的表面質(zhì)(zhì)量、纖維樹(shù)脂體積分數(shù)、纖維樹(shù)脂分布情況、層間結(jié)合力等性能指標難以控制。

- 現(xiàn)有的方法在打印過(guò)程中，由于纖維的局部分叉、斷裂，容易造成纖維在腔體中堆積、堵塞，對成型過(guò)程造成影響，同時(shí)，成型軌跡中纖維呈松散、無(wú)規(guī)律的分布狀態(tài)(tài)，使得構(gòu)件的承載性能受到影響。

在國內(nèi)，南京航空航天大學(xué)針對現(xiàn)有的熱塑性樹(shù)脂基復合材料3D打印成形時(shí)所使用的連接纖維尺寸較小，且不能對連接纖維實(shí)現(xiàn)有效浸漬而造成成型速度低、構(gòu)件尺寸受限較大、成型件綜合性能低的問(wèn)題，發(fā)(fā)明了連續(xù)纖維增強熱塑性樹(shù)脂基復合材料的3D打印方法。適用于尺寸較大的纖維絲束，該打印技術(shù)(shù)成型速度快，表面質(zhì)(zhì)量提高，同時(shí)纖維與熱塑性基體間的界面結(jié)合性能好，構(gòu)件纖維含量高，纖維密實(shí)度高，并且提高了打印構(gòu)件的力學(xué)。

南京航空航天大學(xué)還研發(fā)(fā)出連續(xù)纖維增強熱塑性樹(shù)脂基復合材料旋轉(zhuǎn)共混3D打印頭，其特征在于: 擠出頭連接于熔融腔也可繞中軸旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)方向與熔融腔相反；熔融腔與擠出頭內(nèi)側(cè)均有攪拌齒環(huán)(huán)，纖維束和熔融熱塑性樹(shù)脂受到兩級反向旋轉(zhuǎn)的螺旋齒環(huán)(huán)攪拌作用下均勻共混，且共混體以螺旋狀密實(shí)纏緊成圓柱絲束，樹(shù)脂沿纖維取向均勻分布；擠出頭擠出材料至成型區(qū)域并固化成纖維增強樹(shù)脂基復合材料。

南京航空航天大學(xué)的技術(shù)(shù)對當前熱塑性復合材料成型技術(shù)(shù)是一種突破，南京航空航天大學(xué)采用兩級旋轉(zhuǎn)腔體對纖維和樹(shù)脂的共混體進(jìn)行攪拌和纏繞，適用于較大尺寸的纖維絲束，優(yōu)(yōu)化了打印頭對纖維原有狀態(tài)(tài)的適應性，在相同的建造速度下，提高了打印效率，改善了構(gòu)件的表面質(zhì)(zhì)量；攪拌共混的作用下，纖維與樹(shù)脂間的浸潤充分，共混體中的纖維呈緊密螺旋纏繞狀，提高了增強體的承載能力，樹(shù)脂在纖維中各處分布均勻，改善了構(gòu)件的層間和界面結(jié)合性能，提高了打印構(gòu)件的力學(xué)性能；擠出頭的旋轉(zhuǎn)作用可使共混體在擠出后，纖維與樹(shù)脂的分布均勻，纖維體積含量高。

當前針對連續(xù)纖維增強的熱塑性復合材料成型FDM打印技術(shù)(shù)領(lǐng)域，活躍的企業(yè)(yè)和研究機構(gòu)包括美國Mark Forged，日本大學(xué)、東京工業(yè)(yè)大學(xué)，西安交通大學(xué)等。3D打印隨著(zhù)南京航空航天大學(xué)將這一技術(shù)(shù)水平推向新的高度，我們認為FDM技術(shù)(shù)用于連續(xù)纖維增強的熱塑性復合材料打印技術(shù)(shù)進(jìn)一步走向工業(yè)(yè)級應用。

南京航空航天大學(xué)的突破性在于實(shí)現(xiàn)了較高力學(xué)性能連續(xù)纖維增強熱塑性基體復合材料構(gòu)件的3D打印，且成型效率高，表面質(zhì)(zhì)量好，可適用于對性能要求較高的航空航天復雜構(gòu)件的成型過(guò)程。

從金屬到高性能材料的轉(zhuǎn)換目前是航空航天市場(chǎng)的一個(gè)既定趨勢，復合塑料成為追求設計自由度、制造便利性和輕質(zhì)(zhì)以超越傳統(tǒng)鋁材的方案。

來(lái)源：中國3D打印網(wǎng)(wǎng)