3D打印可实现纤维增强复合材料复杂结构的一体化成型，无需模具，可显著降低先进复合材料的制造时间和成本。与传统的减材制造工艺相比，3D打印的增材制造工艺具有其独特性。本文综述了3D打印纤维增强复合材料工艺和力学性能的最新研究进展。
▲打印设备及制品图片
方法
对纤维增强复合材料3D打印工艺、打印设备、打印材料和力学性能等方面逐一开展了详细的分析和阐述。对于纤维增强复合材料3D打印工艺，主要介绍了材料挤出成型（FFF、FDM）、光固化成型（SLA）、粉末烧结成型（SLS）和分层实体制造成型（LOM、CBAM）这四种工艺。
对于打印设备方面，主要分析了桌面级3D打印设备和生产用的工业级设备。在打印材料方面，主要分析了常用的热固性和热塑性基体树脂的特点，探讨了用于增强的纤维材料的表面改性方法。
对于力学性能方面，主要考虑了打印参数和纤维排布对复合材料的影响，并通过对打印缺陷形成原因的分析，介绍了缺陷对复合材料力学性能的影响规律。
结果
在打印工艺方面，重点介绍了熔融沉积工艺成型连续纤维增强复合材料的最新研究进展，并与传统工艺制备的复合材料力学性能进行了对比和分析。
FFF成型是目前3D打印纤维增强复合材料最常用的工艺，因为它具有材料选择多样化、成本低、可设计强的特点。相比其他工艺，它的应用最为成熟，但是其层间性能差成为阻碍FFF成型当前应用的主要问题。打印设备方面，国内的单喷嘴连续纤维打印设备没有安装剪切装置和相匹配的切片软件，无法自由选择纤维铺放和打印支撑。虽然国外打印设备没有上述问题，但为了最终制品性能的稳定性，使用国外设备只能选用厂家提供的专用材料，软件上也无法实现多种打印参数的调节。
目前的3D打印设备已经能够打印复杂的连续纤维复合材料结构，但在结构的拓扑优化和打印路径优化算法方面还是处于初步探索阶段。打印材料方面，可用于打印的树脂基体有限，考虑树脂打印时的流变性能和热性能对最终制品力学性能的影响，开发新的适用于打印的树脂材料是3D打印纤维增强复合材料的重要发展方向之一。
连续纤维线材的力学性能是影响制品性能的关键因素，通过对纤维表面进行改性，可以提高树脂对纤维的浸润能力，同时增加纤维与树脂之间的界面结合强度，最终得到力学性能优异的连续纤维增强复合材料。
力学性能的研究方面，对于打印层高、打印线宽、挤出流量、打印温度和打印速度等打印参数的研究有限，这与大多数研究使用商用设备，只能选择固定参数有关。
基于3D打印纤维增强复合材料，研究人员展开了其拉伸、弯曲、压缩、冲击和层间等性能的研究，发现大量的束内和层间孔隙，以及薄弱的层间结合性能是导致3D打印纤维增强复合材料力学性能相对较差的主要原因。针对该问题，研究人员通过纤维与基体之间的界面改性、纤维束优化、改进打印头和二次加压熔融等方法有效地降低了纤维增强复合材料内部的孔隙，并同时提高了界面和层间的粘接强度，最终提高了3D打印纤维复合材料的力学性能。
与传统的成型工艺相比，3D打印工艺制备的连续纤维增强复合材料具有的低纤维体积分数和相对较高的缺陷率是其力学性能不足的重要原因。
结论
针对纤维增强复合材料3D打印技术的未来发展进行了展望。3D打印纤维增强复合材料工艺作为一种新兴技术，具有低成本和复杂结构一体化制备等优势，必将会有更广泛的发展和应用。对多种打印工艺融合、打印设备的智能化与多功能化、高性能环保打印线材制备、复合材料界面性能提升，降低材料内部孔隙率和制定3D打印纤维增强复合材料的力学性能测试标准进行了展望。
l 来源：复合材料学报
l 谷专栏 l
欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。
白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷
