隨著航空航天,、能源輸送等高端應(yīng)用場景對材料性能和服役穩(wěn)定性的要求不斷提高,，連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料 3D 打印技術(shù)因其輕量化,、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、功能性集成等優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注,。該技術(shù)能夠生產(chǎn)具有高纖維體積分?jǐn)?shù),、復(fù)雜幾何形狀和功能集成的復(fù)合材料部件，為材料設(shè)計,、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和功能實現(xiàn)提供了新的途徑,。然而，現(xiàn)有技術(shù)存在高性能絲材加工性差,、打印缺陷難以消除,、過程控制難度大等問題，限制了其在高端應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用,。迫切需要開發(fā)新的打印工藝,、材料體系和缺陷控制方法，以提高材料的性能和可靠性,，推動其在高端應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用,。

近日，《Composites Part B》期刊發(fā)表了一篇由北京航空航天大學(xué),、西安交通大學(xué),、青島理工大學(xué)、東京理科大學(xué),、日本大學(xué),、俄羅斯科學(xué)院機械工程研究所和深圳市3D打印制造創(chuàng)新中心的研究團(tuán)隊完成的有關(guān)高性能連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料 3D 打印過程缺陷及其消除方法的研究成果。該文章系統(tǒng)分析了高性能連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料 3D 打印過程中產(chǎn)生的各種缺陷,，并探討了其生成機理,、對材料性能的影響以及可能的消除措施，為推動高性能 3D 打印技術(shù)的發(fā)展提供了重要的理論指導(dǎo),。題為“Three-dimensional printing of high-performance continuous fiber-reinforced thermoplastic composites: Causes and elimination of process-induced defects”,。   

1. 工藝：基于熔融長絲制造的預(yù)浸料長絲直接打印

該技術(shù)采用預(yù)浸料絲材直接進(jìn)行 3D 打印，通過控制打印路徑和絲材沉積方式,，構(gòu)建出具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料部件,。

2.材料：高性能絲材

該技術(shù)使用高性能聚合物，如 PEEK,、PPS,、TPI 和 TLCP 等，并添加功能性填料,，制備出高纖維體積分?jǐn)?shù)的絲材,，以提高材料的性能和功能。

3.極端應(yīng)用打印復(fù)合材料的性能差距

現(xiàn)有 3D 打印復(fù)合材料在極端應(yīng)用環(huán)境下存在性能差距，主要體現(xiàn)在高性能絲材加工難度大,、打印缺陷多,，導(dǎo)致材料性能和穩(wěn)定性無法滿足需求。

4.主要問題：打印過程中工藝引起的缺陷  

由于高纖維體積分?jǐn)?shù)導(dǎo)致高性能聚合物流動性受限,，3D 打印過程中會產(chǎn)生嚴(yán)重的聚合物和纖維缺陷,，從而降低材料性能。這些缺陷包括孔隙,、纖維損傷和纖維分布偏差等,，它們會影響復(fù)合材料的力學(xué)性能、界面性能和層間性能,，并最終導(dǎo)致打印部件的性能下降,。

圖 1   3D 打印連續(xù)纖維增強樹脂基復(fù)合材料 (cFRPCs) 的應(yīng)用前景：(a) 適應(yīng)型結(jié)構(gòu) ，(b) 輕量化結(jié)構(gòu),，(c) 傳感器網(wǎng)絡(luò) ,，(d) 3D 點陣結(jié)構(gòu)，(e) 電磁屏蔽,，(f) 活性變形,，(g) 超材料 ,，(h) 無人機打印,，(i) 太空打印。   

圖 2  (a) 預(yù)浸料絲束制備和 (b) 基于 FFF 的高性能 cFRPCs 預(yù)浸料絲束直接打印,。

圖 3   cFRPCs 打印過程中的工藝誘導(dǎo)缺陷

1.過程引起的孔隙   

過程引起的孔隙主要存在于聚合物結(jié)構(gòu)中,，分為打印重疊孔隙、層間孔隙和層內(nèi)孔隙,。這些孔隙的形成主要由于聚合物流動性差,、打印絲材堆疊方式不當(dāng)、打印壓力和溫度不穩(wěn)定等因素導(dǎo)致聚合物無法完全填充間隙,。熔融聚合物與空氣不互溶,，導(dǎo)致層間間隙和重疊孔隙的形成。

2. 孔隙的影響

孔隙缺陷會降低層間性能,、拉伸強度,、壓縮強度等。為了消除孔隙缺陷,，可以采用原位強化和后處理方法,，例如張力、壓實,、真空輔助,、額外能量輔助（超聲波、等離子體、微波,、紅外,、激光等）、層間聚合物噴涂,、熱壓,、熱等靜壓、激光輔助熱處理等,。

圖 4  過程引起的孔隙分布和演化機理    

圖 5 孔隙缺陷對材料性能的影響

1.纖維損傷的原因

纖維損傷主要發(fā)生在絲材的進(jìn)料,、擠出和堆疊階段，由于擠出機構(gòu)的擠壓,、噴嘴摩擦和彎曲/壓扁等因素導(dǎo)致纖維磨損和斷裂,，從而降低復(fù)合材料的性能。

2.纖維損傷的影響

不同打印階段纖維損傷程度不同,，導(dǎo)致絲材的拉伸剛度,、強度和斷裂伸長率下降，最終影響打印件的性能,。纖維損傷會降低打印件的拉伸強度,、壓縮強度、彎曲強度,、剪切強度和沖擊強度等力學(xué)性能,。

1.纖維分布偏差的原因

纖維分布偏差包括纖維平直度、纖維取向和纖維均勻度等方面的偏差,，導(dǎo)致纖維偏離理想分布,。造成偏差的因素包括打印過程參數(shù)不當(dāng)、絲材變形和溫度變化等,。

2.纖維分布偏差的影響   

即使纖維偏離軸線很小的角度,，也會導(dǎo)致復(fù)合材料強度顯著下降。纖維平直度偏差（如翹曲和皺褶）會在聚合物-纖維界面上產(chǎn)生應(yīng)力集中,，導(dǎo)致在加載過程中過早發(fā)生界面失效,，從而顯著降低力學(xué)性能。

圖 6 多尺度纖維分布偏差和演化機理

圖 7 纖維分布偏差對材料性能的影響

1.轉(zhuǎn)向區(qū)域缺陷的原因

由于纖維的連續(xù)性和剛性,，在連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印過程中,，纖維在轉(zhuǎn)向點容易斷裂、扭曲和錯位,。這些缺陷會影響材料的性能,，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)致命弱點。

2.轉(zhuǎn)向區(qū)域缺陷形成模型

轉(zhuǎn)向區(qū)域缺陷形成的模型,，旨在幫助理解和控制缺陷的形成,，從而優(yōu)化打印過程并提高復(fù)合材料的適用范圍和可靠性。

圖 8  纖維彎曲缺陷研究。(a) X 射線斷層掃描結(jié)果,，顯示壓縮測試前后 LTSSs 的情況,。(b) 不同彎曲角度下單條帶的 μCT 圖像。(c) 顯微鏡下 90° 彎曲結(jié)構(gòu)的圖像,。(d) 測量纖維束電阻的示意圖,。(e) 纖維扭曲的有限元分析。(f) 纖維彎曲放置模型,。(g) 不同彎曲角度下打印帶的應(yīng)力分布有限元分析,。(h) 彎曲結(jié)構(gòu)中纖維扭曲缺陷。(i) 彎曲結(jié)構(gòu)中纖維斷裂缺陷,。

由于3D打印材料在噴嘴處加熱軟化后快速冷卻,，難以實現(xiàn)聚合物之間的完美融合，導(dǎo)致打印件表面出現(xiàn)明顯的打印痕跡,，影響平行于和垂直于打印方向表面的打印件質(zhì)量,。常見的表面缺陷包括堆積缺陷、劃痕缺陷,、冗余缺陷,、路徑間隙、層間臺階紋理和轉(zhuǎn)向處的錯位等,。   

圖 9  3D 打印過程中 (a) 的表面缺陷,。(b-c) 積累缺陷，(d) 劃痕,，冗余缺陷,，以及 (e-f) 路徑間隙，層間臺階紋理,。

圖 10  表面缺陷消除方法 (a-f) 雙噴嘴打印，(g-h) 表面依賴性和優(yōu)化 (MDPI 版權(quán)所有,，以及 (i-k) 壓縮輔助打印,。

1. 消除與聚合物相關(guān)的缺陷

孔隙缺陷主要影響打印件的層間性能，存在許多在線消除方法,，例如：張緊和壓實,、真空輔助、額外能量輔助和層間聚合物噴涂等,。此外,，熱和壓力熱處理也可以調(diào)節(jié)聚合物的結(jié)晶度，減少孔隙率,，從而提高打印件的層間性能,、拉伸強度和彎曲強度等。

2. 消除與纖維相關(guān)的缺陷

研究人員已經(jīng)開展了相關(guān)研究，以減少打印過程中纖維的損傷和缺陷,。例如,，在絲材打印過程中，將送料裝置中的金屬齒輪更換為橡膠驅(qū)動輪可以減少連續(xù)纖維的損傷,，提高拉伸強度,。此外，選擇更大的噴嘴和更高的層厚度也可以減少連續(xù)纖維在噴嘴中的摩擦和在沉積后的擠出壓力,，從而減少性能損失,。

3.消除轉(zhuǎn)向區(qū)域的缺陷

轉(zhuǎn)向打印過程中形成的缺陷是影響最終產(chǎn)品質(zhì)量和性能的關(guān)鍵因素之一。這些缺陷,，包括纖維斷裂,、錯位和扭曲，會降低打印件的力學(xué)性能,，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)致命弱點,。研究表明，通過優(yōu)化噴嘴對纖維產(chǎn)生的張力,，例如增加打印平臺的自由度和采用多自由度打印策略,，可以消除或最小化轉(zhuǎn)向打印過程中產(chǎn)生的缺陷。

4.消除表面缺陷

影響 3D 打印復(fù)合材料表面質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)主要包括絲材進(jìn)料速度,、打印速度,、噴嘴溫度和層厚度。這些工藝參數(shù)相互關(guān)聯(lián),，對打印件表面質(zhì)量,、力學(xué)性能和生產(chǎn)效率有直接或間接的顯著影響。表面質(zhì)量優(yōu)化主要包括打印參數(shù)優(yōu)化和后處理,。   

圖 11  纖維相關(guān)缺陷消除方法 (a) 使用橡膠驅(qū)動輪,，(b) 修改噴嘴，(c) 優(yōu)化進(jìn)料速度和打印,，以及 (d) 優(yōu)化噴嘴直徑和寬度,。

1.工藝引起的缺陷：3D 打印的原理問題

3D 打印復(fù)合材料存在眾多缺陷，孔隙率高達(dá) 10-15 vol%,，導(dǎo)致界面和層間性能下降,。纖維損傷和平整度等缺陷普遍存在，但其機制和控制尚未得到充分研究,。高纖維體積分?jǐn)?shù)和特殊聚合物基復(fù)合材料在 3D 打印中面臨“性能-工藝”耦合矛盾和絲材變形/溫度變化引起的缺陷挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有缺陷消除方法效率低、成本高,，迫切需要新的解決方案,。

2.未來展望

纖維相關(guān)缺陷包括纖維損傷和平整度偏差,，它們對復(fù)合材料性能的影響復(fù)雜且難以控制。未來研究需要深入探討這些缺陷的生成機制,，并開發(fā)在線消除方法,，以提高 3D 打印復(fù)合材料的性能和可靠性。

該文章分析了高性能連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料 3D 打印過程中產(chǎn)生的缺陷,，并提出了消除這些缺陷的方法,，為提高打印質(zhì)量和材料性能提供了理論指導(dǎo)和實踐參考，推動該技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用,。