南科大《CoCo》綜述：連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造中的設(shè)計(jì)機(jī)遇和創(chuàng)新應(yīng)用

來源： 復(fù)合材料力學(xué)

增材制造技術(shù)因能快速、高效地創(chuàng)造具有多種材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)和集成功能的產(chǎn)品而廣受關(guān)注。該變革技術(shù)的發(fā)展也為連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料制造領(lǐng)域帶來了新機(jī)遇。然而，現(xiàn)有研究工作大多專注于工藝和設(shè)備開發(fā)，尚未充分和系統(tǒng)地利用連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)材增材技術(shù)(Continuous Fiber Reinforced Polymer Composite- Additive Manufacturing, CFRP-AM)所帶來的新型設(shè)計(jì)空間以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新與應(yīng)用。針對(duì)該現(xiàn)狀，南方科技大學(xué)熊異、周利民教授團(tuán)隊(duì)近日在《Composites Communications》上發(fā)表了題為“Additive manufacturing of continuous fiber reinforced polymer composites: Design opportunities and novel applications”的研究綜述論文，對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)材增材制造中的設(shè)計(jì)機(jī)遇和創(chuàng)新應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性梳理，闡明了該研究領(lǐng)域的當(dāng)前進(jìn)展和未來發(fā)展趨勢(shì)。該文從共性功能需求出發(fā)總結(jié)現(xiàn)有CFRP-AM技術(shù)，提出面向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)材增材設(shè)計(jì)的核心概念，重點(diǎn)圍繞材料、工藝和結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)域明晰設(shè)計(jì)問題及求解思路，展望了通過CFRP-AM技術(shù)賦能的智能可變體、智能傳感、能量存儲(chǔ)以及超材料等創(chuàng)新應(yīng)用。

1.面向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)材增材設(shè)計(jì)
同傳統(tǒng)制造工藝（如RTM、FW、ATP/AFP等）相比，CFRP-AM采用離散-堆積原理，極大地增加了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)自由度，允許逐點(diǎn)、逐域控制纖維分布、方向等設(shè)計(jì)變量以滿足更為復(fù)雜的性能需求。如圖1所示，CFRP-AM的設(shè)計(jì)空間可劃分為材料、工藝、結(jié)構(gòu)等三個(gè)設(shè)計(jì)域。設(shè)計(jì)域具有高維度和強(qiáng)耦合等特征，即性能目標(biāo)受大量設(shè)計(jì)參數(shù)影響且參數(shù)間存在相互關(guān)聯(lián)作用。上述挑戰(zhàn)要求面向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)材增材設(shè)計(jì)方法必須采用多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化思想，在考慮制造約束的情況下，圍繞材料-工藝-結(jié)構(gòu)-性能映射關(guān)系，最大化復(fù)材增材的多性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖 1. 面向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)材增材的設(shè)計(jì)域及相關(guān)方法

2.CFRP-AM技術(shù)
2.1.CFRP-AM技術(shù)功能結(jié)構(gòu)
如圖2所示，CFRP-AM技術(shù)的功能結(jié)構(gòu)同常規(guī)增材制造工藝相似，但對(duì)材料存儲(chǔ)、材料輸入和界面粘合方面存在獨(dú)特需求。工程師可以將此功能結(jié)構(gòu)框圖同形態(tài)功能學(xué)矩陣結(jié)合作為概念設(shè)計(jì)工具以指導(dǎo)發(fā)明新的CFRP-AM工藝。

圖 2. CFRP-AM技術(shù)的功能結(jié)構(gòu)及其同常規(guī)增材制造的區(qū)別

其中，聚合物基體和增強(qiáng)纖維之間的粘合是最關(guān)鍵的子功能。圖3歸納了三種CFRP-AM中纖維與基體粘合的方法：1)預(yù)浸漬法、2)在線浸漬法和3)原位浸漬法。對(duì)于預(yù)浸漬，基體和增強(qiáng)材料分別制備為絲材（圖 3 (a)）、帶材（圖 3 (b)）和片材（圖 3 (c)）形式的預(yù)浸料。對(duì)于原位浸漬，干纖維或帶有預(yù)浸潤的纖維在噴嘴內(nèi)共擠出，如圖 3（d）和（e）所示。進(jìn)料機(jī)構(gòu)可以基于齒輪、柱塞或螺桿等方式。另外，也可以采用如圖3（f）所示的在線浸漬方法。

圖 3. 纖維與基質(zhì)粘合的不同解決方案

2.2.CFRP-AM技術(shù)分類
盡管國際標(biāo)準(zhǔn)定義有七類增材制造技術(shù)，常用于CFRP復(fù)材增材制造的主要包含材料擠出（ME）、定向能量沉積（DED）和分層實(shí)體制造（LOM）等三類技術(shù)。

2.2.1.材料擠出技術(shù)
材料擠出技術(shù)由于工作原理簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本較低，是目前應(yīng)用最為廣泛的纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)材增材技術(shù)。相關(guān)設(shè)備僅需對(duì)噴嘴作簡(jiǎn)要改變，如換用耐磨材料和優(yōu)化內(nèi)部腔道，即可實(shí)現(xiàn)短切纖維增強(qiáng)的聚合物復(fù)材加工。然而，針對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工，設(shè)備的軟、硬件必須重新設(shè)計(jì)，如增加纖維進(jìn)料口、纖維切斷機(jī)構(gòu)等。值得注意的是一些創(chuàng)新解決方案，如體積材料供應(yīng)、快速加熱、預(yù)熱、涂膠、高壓浸漬和超聲輔助浸漬等也已被用來進(jìn)一步提高制造效率、精度和質(zhì)量。如圖4所示，采用三維 (3D) 微波原理的連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)材增材技術(shù)能大幅提高打印速度。

圖 4.（左）連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的3D微波打印工藝；（右）3D微波打印機(jī)

2.2.2.定向能沉積技術(shù)
如圖5所示，定向能沉積技術(shù)也被用于CFRP-AM，通過同步移動(dòng)材料和能量源以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件成型。該技術(shù)用聚焦熱源(如激光)熔融原料，并將原料直接送到熔池，而非材料擠出技術(shù)中的噴嘴內(nèi)熔化。定向能沉積技術(shù)還可同二次工藝結(jié)合，利用輥、輪等對(duì)已沉積層進(jìn)行壓實(shí)，以消除空洞等缺陷，實(shí)現(xiàn)界面質(zhì)量的提高。DED技術(shù)可用于制造中、大型復(fù)合材料構(gòu)件，并且高效的能源利用使其具有相當(dāng)高的沉積速率。此外，集中的能量源使該工藝適用于高性能工程塑料的加工。由于這類材料具有較高的熔融溫度和粘度，很難通過材料擠出制造。盡管DED過程在某些方面同ATP/AFP過程類似，但其可以制備出曲率更大、特性更復(fù)雜的CFRP復(fù)合材料。

圖 5.  用于CFRP-AM的定向能沉積技術(shù)

2.2.3.分層實(shí)體制造技術(shù)
圖6所示為典型的LOM工藝示意圖。該技術(shù)將預(yù)浸料片作為原料材料切割、堆疊、粘合以形成三維實(shí)體。由于LOM工藝原理獨(dú)特，僅需處理形狀輪廓而非整個(gè)橫截面區(qū)域，因此能實(shí)現(xiàn)高效制造。另外，采用傳統(tǒng)方法制備的預(yù)浸料使得制成件具有較高纖維體積分?jǐn)?shù)和較強(qiáng)纖維-基質(zhì)界面。

圖 6. 用于CFRP-AM的激光輔助分層實(shí)體制造技術(shù)

3.CFRP-AM設(shè)計(jì)機(jī)遇
相較于傳統(tǒng)制造方法，CFRP-AM的設(shè)計(jì)涉及材料、工藝和結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)域的變量，極大地拓展了復(fù)材構(gòu)件的設(shè)計(jì)空間。本章節(jié)系統(tǒng)地總結(jié)了每個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的計(jì)劃，并明晰相應(yīng)的設(shè)計(jì)策略，以充分挖掘和利用這一新穎的設(shè)計(jì)空間。

圖 7. 第3節(jié)的層次關(guān)系

3.1.材料設(shè)計(jì)
在CFRP-AM中，基體、增強(qiáng)材料和添加劑材料的選擇范圍很廣。圖8總結(jié)了常用材料及其力學(xué)性能。其中，基體材料主要包含熱塑性和熱固性樹脂，例如ABS、PLA、PC、TPU、PETG、PEEK等。增強(qiáng)材料主要有碳纖維，玻璃纖維，Kevlar纖維，天然黃麻纖維以及金屬纖維。添加劑主要包括碳納米管（CNTs）、石墨烯納米鍵(GNPs)和氨基（NH2-）等。此外，CFRP-AM還需要仔細(xì)考慮基體和增強(qiáng)材料彼此的熱、物理和化學(xué)性能。表1給出了不同3D打印技術(shù)所制造的CFRP復(fù)合材料的力學(xué)性能。

圖 8. 用于CFRP-AM的材料及其力學(xué)性能

表 1 不同CFRP-AM制造技術(shù)的復(fù)合材料力學(xué)性能比較 (連續(xù)碳纖維：CCF；連續(xù)玻璃纖維：CGF；連續(xù)Kevlar纖維：CKF；光固化技術(shù)：SLA；墨水直寫技術(shù)：DIW)

3.2.工藝設(shè)計(jì)
3.2.1.軌跡規(guī)劃
纖維力學(xué)性能的各向異性使得纖維排鋪軌跡規(guī)劃成為決定構(gòu)件整體性能一個(gè)關(guān)鍵因素。在早期的研究中，CFRP-AM中的纖維布局主要是通過對(duì)材料擠出工藝中直線、鋸齒、輪廓、蜂窩等簡(jiǎn)單填充圖案進(jìn)行修改而得來。后續(xù)研究逐漸考慮小轉(zhuǎn)角、大曲率半徑等工藝約束帶來的打印缺陷，對(duì)纖維路徑進(jìn)行了改進(jìn)以減少纖維剪斷頻率，并避免尖角轉(zhuǎn)彎。同時(shí)，優(yōu)化了打印間隔和重疊比以避免材料溢出和孔隙等問題。此外，希爾伯特、螺旋曲線等復(fù)雜的填充圖案和計(jì)算幾何中的經(jīng)典算法，如歐拉路徑和中國郵差問題也被用于纖維路徑的軌跡規(guī)劃研究。

近期的研究主要聚焦于通過計(jì)算設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)不同工況下更為復(fù)雜纖維鋪排路徑的自動(dòng)化生成方法，以獲得力學(xué)性能更為優(yōu)異的復(fù)材構(gòu)件。該方法的核心是基于以有限元法等為代表的數(shù)值分析方法以確定局部的纖維方向和體積分?jǐn)?shù)。該方法首先以具有單一纖維取向和均勻纖維體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料作為初始設(shè)計(jì)。然后，在給定邊界和荷載條件下，通過數(shù)值方法分析該初始設(shè)計(jì)。通過對(duì)分析結(jié)果中荷載傳遞情況的觀察，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來更新復(fù)合材料中的局部纖維軌跡。常用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則包括流體流線(見圖9 (a))、主應(yīng)力跡線(見圖9 (b)和(c))、指定應(yīng)力矢量(見圖9 (d))、剛度衰減矢量以及混合方法。根據(jù)設(shè)計(jì)中是否需要持續(xù)迭代，該方法可進(jìn)一步劃分為一次性和多次迭代兩種類型。一次性法在不考慮更新設(shè)計(jì)與初始設(shè)計(jì)之間差異的情況下，對(duì)纖維排鋪僅按上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行更新。而迭代法則持續(xù)該過程，反復(fù)更新設(shè)計(jì)并分析結(jié)果，對(duì)比實(shí)際性能和預(yù)期性能的差異，直到達(dá)到收斂限，完成優(yōu)化。

圖 9.纖維路徑優(yōu)化方法:(a)流體流線；(b)-(c)主應(yīng)力；(d)指向應(yīng)力矢量

伴隨多軸CFRP-AM技術(shù)的日趨成熟，實(shí)現(xiàn)3維空間打印軌跡以取代現(xiàn)有2.5維空間打印軌跡已成為可能。如圖10 (a)所示，額外的制造自由度允許使用曲面對(duì)模型進(jìn)行切片以增加層間接觸面積，實(shí)現(xiàn)層間結(jié)合力的提高。同時(shí)，打印方向由單一方向變?yōu)槎鄠�(gè)方向可以減少復(fù)合材料各向異性。此外，多軸沉積還能通過優(yōu)化關(guān)鍵功能表面的打印路徑來減小階梯效應(yīng)，提高表面光潔度，如圖10 (b)所示。另外，3D打印軌跡被優(yōu)化以避免跳躍掃描以及減少后處理的工作量。

圖 10. (a)單層單向正弦曲面及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的3D打印CFRP復(fù)合材料試樣；(b)針對(duì)復(fù)雜物體的非正交打印策略，以緩和階梯效應(yīng)，提高表面質(zhì)量

3.2.2.工藝參數(shù)優(yōu)化
工藝參數(shù)與打印件性能之間的映射關(guān)系是進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)。表2總結(jié)了文獻(xiàn)中已經(jīng)研究過的工藝-性能關(guān)系，包括大多數(shù)力學(xué)性能，如拉伸、彎曲、剪切和壓縮性能與工藝參數(shù)，如噴嘴溫度、層高、打印速度和打印間距等。然而，CFRP-AM中獨(dú)特的工藝參數(shù)，如纖維張力和纖維進(jìn)給速率，尚未得到深入的研究。

表 2 關(guān)于CFRP復(fù)合材料工藝-性能關(guān)系的文獻(xiàn)列表，表中不同顏色的含義:藍(lán)色-負(fù)相關(guān)，黃色-正相關(guān)，綠色-目前不可預(yù)測(cè)，灰色-尚未研究

3.3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.3.1.點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
CFRP-AM點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以顯著提高打印件的機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞性能。針對(duì)CFRP-AM點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量可歸納為三組：?jiǎn)伟�形狀、空間排列方式以及單胞幾何參數(shù)。如圖11所示，單胞形狀主要包括矩形、圓形、蜂窩、菱形、梯形、波紋狀、箭頭狀和金字塔狀等形式。空間排列方式包括周期排列、功能梯度、混雜排列等。幾何參數(shù)主要包括單胞長度、壁厚和傾斜角度等。CFRP-AM打印件的密度/相對(duì)密度、等效泊松比、彈性模量、比模量、拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、能量吸收、比能量吸收、形狀恢復(fù)率和形狀恢復(fù)時(shí)間等性能指標(biāo)通常作為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)。

圖 11. 不同形狀的CFRP點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。(a) 矩形、圓形、蜂窩、菱形、梯形；(b) 箭頭形；(c) 波紋形；(d) 金字塔形

3.3.2.拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)
基于CFRP-AM的拓?fù)鋬?yōu)化主要挑戰(zhàn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝規(guī)劃之間的耦合。設(shè)計(jì)包括兩個(gè)任務(wù)：1）材料分配；2）工藝規(guī)劃。所面臨的主要研究問題包括纖維連續(xù)性、尺度分離、設(shè)計(jì)自由度降低以及復(fù)雜形狀復(fù)合材料的纖維取向優(yōu)化等。目前，基于CFRP-AM的拓?fù)鋬?yōu)化可分為兩種：先結(jié)構(gòu)拓?fù)浜蠊に囈?guī)劃的順序優(yōu)化（圖12（b））和結(jié)構(gòu)-工藝協(xié)同優(yōu)化。

圖 12. (a) 優(yōu)化的支架模型及其平滑變化的材料方向；(b) 先結(jié)構(gòu)拓?fù)浜蠊に噧?yōu)化

4.CFRP-AM的創(chuàng)新應(yīng)用
4.1.智能可變體
CFRP-AM中有多種實(shí)現(xiàn)打印件受激勵(lì)后改變形狀的機(jī)制。驅(qū)動(dòng)其變形的外部刺激可以是直接的環(huán)境溫度改變或者是對(duì)連續(xù)纖維通電加熱進(jìn)而產(chǎn)生溫度變化。對(duì)纖維軌跡、纖維體積分?jǐn)?shù)等工藝參數(shù)以及選擇性區(qū)域加熱進(jìn)行調(diào)控進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)CFRP-AM復(fù)合材料的智能可編程控制。

圖 13.(a) 4D打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物基底復(fù)合材料的焦耳熱致形狀恢復(fù)；(b)不同實(shí)驗(yàn)設(shè)置的可展開表面；(c)不同纖維含量的Kevlar-SMP復(fù)合材料的形狀恢復(fù)；(d)具有不同電壓輸入配置的CFRP復(fù)合材料的變形行為

4.2.智能傳感
利用連續(xù)纖維的電-機(jī)械性能可開發(fā)具有綜合傳感能力的復(fù)合材料，如金屬纖維應(yīng)變傳感器、碳纖維二維變形場(chǎng)智能傳感網(wǎng)格以及碳纖維自我監(jiān)測(cè)傳感器，如圖14所示。

圖 14. (a) 印刷鎳鉻絲增強(qiáng)PLA復(fù)合材料；(b) 二維變形場(chǎng)智能傳感網(wǎng)格；(c) 嵌入碳纖維的3D打印人工手

4.3.能量存儲(chǔ)
增材制造允許制造具有定制形式的結(jié)構(gòu)電池復(fù)合材料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無質(zhì)量儲(chǔ)能。圖15所示為基于CFRP-AM技術(shù)的3D打印復(fù)合材料電池。

圖 15. 由紫外線輔助共擠出制造(左)和和通過熔融沉積模型制造（右）的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)電池

4.4.其他應(yīng)用
CFRP-AM的另一應(yīng)用是通過復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)具有定制化性能超材料的開發(fā)，圖16為基于CFRP-AM技術(shù)的具有聲學(xué)、負(fù)泊松比特性、電磁波吸收和屏蔽方面性能的超材料應(yīng)用。

圖 16. CFRP超材料: (a) 具有不同配置和制造樣品的局部共振聲學(xué)超材料；(b) 具有可控屏蔽效果的CF復(fù)合材料外殼；(c) 用于電磁波吸收和屏蔽的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；(d) 具有負(fù)泊松比的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合超材料

總結(jié)
該文主要結(jié)論可歸納為以下幾點(diǎn)：
1.CFRP-AM 的設(shè)計(jì)包含多個(gè)設(shè)計(jì)域，設(shè)計(jì)域具有高維度和強(qiáng)耦合等特征。
2.不同增材制造技術(shù)已被用于CFRP復(fù)合材料的制造。然而，增材制造的CFRP復(fù)合材料力學(xué)性能仍遠(yuǎn)低于通過傳統(tǒng)方法制造獲得的構(gòu)件，力學(xué)性能需要進(jìn)一步提高才能應(yīng)用于工業(yè)。
3.目前對(duì)CFRP-AM材料設(shè)計(jì)研究主要通過結(jié)合不同的傳統(tǒng)熱塑性或熱固性基體材料來提高機(jī)械性能。然而，關(guān)于基體和增強(qiáng)材料的化學(xué)或物理改性和預(yù)處理的研究仍然很少。此外，由于對(duì)智能器件需求的不斷增長，因此非常需要通過CFRP-AM賦予零件包含熱、電、磁等在內(nèi)的多種功能。
4.CFRP-AM的纖維鋪排軌跡規(guī)劃極大地影響了制成件力學(xué)性能。纖維方向和體積分?jǐn)?shù)的局部調(diào)控為優(yōu)化CFRP復(fù)合材料性能創(chuàng)造了新的可能性�？臻g連續(xù)路徑規(guī)劃策略以及性能驅(qū)動(dòng)的纖維布置需要進(jìn)一步研究。
5.基于實(shí)驗(yàn)的方法已經(jīng)對(duì)工藝參數(shù)對(duì)CFRP打印件的性能的影響進(jìn)行了廣泛的研究。然而，在前期研究中獲得的大部分工藝-性能關(guān)系尚未用于設(shè)計(jì)優(yōu)化。未來的研究應(yīng)將重點(diǎn)放在將這些映射關(guān)系納入產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。
6.點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和拓?fù)鋬?yōu)化為設(shè)計(jì)具有可調(diào)機(jī)械性能同時(shí)保持輕量化的3D打印CFRP復(fù)合結(jié)構(gòu)提供了巨大的潛力。然而，復(fù)雜形狀復(fù)合材料的纖維不連續(xù)性、尺度分離和纖維取向優(yōu)化等挑戰(zhàn)需要進(jìn)一步研究。
7.CFRP-AM具有一體化成形多功能復(fù)材的巨大潛力，可以將執(zhí)行器、傳感器和能量存儲(chǔ)模塊等元件一體化集成到同一設(shè)備中，從而降低成本并提供更好的結(jié)構(gòu)完整性,為智能設(shè)備的開發(fā)鋪平了道路。

原始文獻(xiàn)：
Guang Liu, Yi Xiong, Limin Zhou, Additive manufacturing of continuous fiber reinforced polymer composites: Design opportunities and novel applications, Composites Communications, Volume 27, 2021, 100907, ISSN 2452-2139, https://doi.org/10.1016/j.coco.2021.100907.