南科大《CoCo》綜述：連續(xù)纖維增強復合材料增材制造中的設計機遇和創(chuàng)新應用

來源： 復合材料力學

增材制造技術因能快速、高效地創(chuàng)造具有多種材料、復雜結構和集成功能的產(chǎn)品而廣受關注。該變革技術的發(fā)展也為連續(xù)纖維增強聚合物復合材料制造領域帶來了新機遇。然而，現(xiàn)有研究工作大多專注于工藝和設備開發(fā)，尚未充分和系統(tǒng)地利用連續(xù)纖維增強聚合物復材增材技術(Continuous Fiber Reinforced Polymer Composite- Additive Manufacturing, CFRP-AM)所帶來的新型設計空間以實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新與應用。針對該現(xiàn)狀，南方科技大學熊異、周利民教授團隊近日在《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，對連續(xù)纖維增強聚合物復材增材制造中的設計機遇和創(chuàng)新應用進行了系統(tǒng)性梳理，闡明了該研究領域的當前進展和未來發(fā)展趨勢。該文從共性功能需求出發(fā)總結現(xiàn)有CFRP-AM技術，提出面向連續(xù)纖維增強復材增材設計的核心概念，重點圍繞材料、工藝和結構等設計域明晰設計問題及求解思路，展望了通過CFRP-AM技術賦能的智能可變體、智能傳感、能量存儲以及超材料等創(chuàng)新應用。

1.面向連續(xù)纖維增強復材增材設計
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)纖維增強復合材料的設計自由度，允許逐點、逐域控制纖維分布、方向等設計變量以滿足更為復雜的性能需求。如圖1所示，CFRP-AM的設計空間可劃分為材料、工藝、結構等三個設計域。設計域具有高維度和強耦合等特征，即性能目標受大量設計參數(shù)影響且參數(shù)間存在相互關聯(lián)作用。上述挑戰(zhàn)要求面向連續(xù)纖維增強復材增材設計方法必須采用多學科協(xié)同優(yōu)化思想，在考慮制造約束的情況下，圍繞材料-工藝-結構-性能映射關系，最大化復材增材的多性能設計目標。

圖 1. 面向連續(xù)纖維增強復材增材的設計域及相關方法

2.CFRP-AM技術
2.1.CFRP-AM技術功能結構
如圖2所示，CFRP-AM技術的功能結構同常規(guī)增材制造工藝相似，但對材料存儲、材料輸入和界面粘合方面存在獨特需求。工程師可以將此功能結構框圖同形態(tài)功能學矩陣結合作為概念設計工具以指導發(fā)明新的CFRP-AM工藝。

圖 2. CFRP-AM技術的功能結構及其同常規(guī)增材制造的區(qū)別

其中，聚合物基體和增強纖維之間的粘合是最關鍵的子功能。圖3歸納了三種CFRP-AM中纖維與基體粘合的方法：1)預浸漬法、2)在線浸漬法和3)原位浸漬法。對于預浸漬，基體和增強材料分別制備為絲材（圖 3 (a)）、帶材（圖 3 (b)）和片材（圖 3 (c)）形式的預浸料。對于原位浸漬，干纖維或帶有預浸潤的纖維在噴嘴內(nèi)共擠出，如圖 3（d）和（e）所示。進料機構可以基于齒輪、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技術分類
盡管國際標準定義有七類增材制造技術，常用于CFRP復材增材制造的主要包含材料擠出（ME）、定向能量沉積（DED）和分層實體制造（LOM）等三類技術。

2.2.1.材料擠出技術
材料擠出技術由于工作原理簡單、生產(chǎn)成本較低，是目前應用最為廣泛的纖維增強聚合物復材增材技術。相關設備僅需對噴嘴作簡要改變，如換用耐磨材料和優(yōu)化內(nèi)部腔道，即可實現(xiàn)短切纖維增強的聚合物復材加工。然而，針對連續(xù)纖維增強復合材料加工，設備的軟、硬件必須重新設計，如增加纖維進料口、纖維切斷機構等。值得注意的是一些創(chuàng)新解決方案，如體積材料供應、快速加熱、預熱、涂膠、高壓浸漬和超聲輔助浸漬等也已被用來進一步提高制造效率、精度和質(zhì)量。如圖4所示，采用三維 (3D) 微波原理的連續(xù)纖維增強聚合物復材增材技術能大幅提高打印速度。

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

2.2.2.定向能沉積技術
如圖5所示，定向能沉積技術也被用于CFRP-AM，通過同步移動材料和能量源以實現(xiàn)結構件成型。該技術用聚焦熱源(如激光)熔融原料，并將原料直接送到熔池，而非材料擠出技術中的噴嘴內(nèi)熔化。定向能沉積技術還可同二次工藝結合，利用輥、輪等對已沉積層進行壓實，以消除空洞等缺陷，實現(xiàn)界面質(zhì)量的提高。DED技術可用于制造中、大型復合材料構件，并且高效的能源利用使其具有相當高的沉積速率。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、特性更復雜的CFRP復合材料。

圖 5.  用于CFRP-AM的定向能沉積技術

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

圖 6. 用于CFRP-AM的激光輔助分層實體制造技術

3.CFRP-AM設計機遇
相較于傳統(tǒng)制造方法，CFRP-AM的設計涉及材料、工藝和結構等設計域的變量，極大地拓展了復材構件的設計空間。本章節(jié)系統(tǒng)地總結了每個設計領域的計劃，并明晰相應的設計策略，以充分挖掘和利用這一新穎的設計空間。

圖 7. 第3節(jié)的層次關系

3.1.材料設計
在CFRP-AM中，基體、增強材料和添加劑材料的選擇范圍很廣。圖8總結了常用材料及其力學性能。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還需要仔細考慮基體和增強材料彼此的熱、物理和化學性能。表1給出了不同3D打印技術所制造的CFRP復合材料的力學性能。

圖 8. 用于CFRP-AM的材料及其力學性能

表 1 不同CFRP-AM制造技術的復合材料力學性能比較 (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：SLA；墨水直寫技術：DIW)

3.2.工藝設計
3.2.1.軌跡規(guī)劃
纖維力學性能的各向異性使得纖維排鋪軌跡規(guī)劃成為決定構件整體性能一個關鍵因素。在早期的研究中，CFRP-AM中的纖維布局主要是通過對材料擠出工藝中直線、鋸齒、輪廓、蜂窩等簡單填充圖案進行修改而得來。后續(xù)研究逐漸考慮小轉角、大曲率半徑等工藝約束帶來的打印缺陷，對纖維路徑進行了改進以減少纖維剪斷頻率，并避免尖角轉彎。同時，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、螺旋曲線等復雜的填充圖案和計算幾何中的經(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算設計方法實現(xiàn)不同工況下更為復雜纖維鋪排路徑的自動化生成方法，以獲得力學性能更為優(yōu)異的復材構件。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數(shù)。該方法首先以具有單一纖維取向和均勻纖維體積分數(shù)的復合材料作為初始設計。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計。通過對分析結果中荷載傳遞情況的觀察，根據(jù)不同的設計準則來更新復合材料中的局部纖維軌跡。常用的設計準則包括流體流線(見圖9 (a))、主應力跡線(見圖9 (b)和(c))、指定應力矢量(見圖9 (d))、剛度衰減矢量以及混合方法。根據(jù)設計中是否需要持續(xù)迭代，該方法可進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計與初始設計之間差異的情況下，對纖維排鋪僅按上述設計準則進行更新。而迭代法則持續(xù)該過程，反復更新設計并分析結果，對比實際性能和預期性能的差異，直到達到收斂限，完成優(yōu)化。

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

伴隨多軸CFRP-AM技術的日趨成熟，實現(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模型進行切片以增加層間接觸面積，實現(xiàn)層間結合力的提高。同時，打印方向由單一方向變?yōu)槎鄠�方向可以減少復合材料各向異性。此外，多軸沉積還能通過優(yōu)化關鍵功能表面的打印路徑來減小階梯效應，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)部結構的3D打印CFRP復合材料試樣；(b)針對復雜物體的非正交打印策略，以緩和階梯效應，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系是進行工藝參數(shù)優(yōu)化的基礎。表2總結了文獻中已經(jīng)研究過的工藝-性能關系，包括大多數(shù)力學性能，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中獨特的工藝參數(shù)，如纖維張力和纖維進給速率，尚未得到深入的研究。

表 2 關于CFRP復合材料工藝-性能關系的文獻列表，表中不同顏色的含義:藍色-負相關，黃色-正相關，綠色-目前不可預測，灰色-尚未研究

3.3.結構設計
3.3.1.點陣結構設計
CFRP-AM點陣結構可以顯著提高打印件的機械強度和抗疲勞性能。針對CFRP-AM點陣結構的設計變量可歸納為三組：單胞形狀、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�？臻g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/相對密度、等效泊松比、彈性模量、比模量、拉伸強度、壓縮強度、能量吸收、比能量吸收、形狀恢復率和形狀恢復時間等性能指標通常作為點陣結構設計的優(yōu)化目標。

圖 11. 不同形狀的CFRP點陣結構。(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.拓撲優(yōu)化設計
基于CFRP-AM的拓撲優(yōu)化主要挑戰(zhàn)是結構設計和工藝規(guī)劃之間的耦合。設計包括兩個任務：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、設計自由度降低以及復雜形狀復合材料的纖維取向優(yōu)化等。目前，基于CFRP-AM的拓撲優(yōu)化可分為兩種：先結構拓撲后工藝規(guī)劃的順序優(yōu)化（圖12（b））和結構-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) 先結構拓撲后工藝優(yōu)化

4.CFRP-AM的創(chuàng)新應用
4.1.智能可變體
CFRP-AM中有多種實現(xiàn)打印件受激勵后改變形狀的機制。驅動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連續(xù)纖維通電加熱進而產(chǎn)生溫度變化。對纖維軌跡、纖維體積分數(shù)等工藝參數(shù)以及選擇性區(qū)域加熱進行調(diào)控進而可以實現(xiàn)CFRP-AM復合材料的智能可編程控制。

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

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

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

4.3.能量存儲
增材制造允許制造具有定制形式的結構電池復合材料，同時實現(xiàn)無質(zhì)量儲能。圖15所示為基于CFRP-AM技術的3D打印復合材料電池。

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）的復合材料結構電池

4.4.其他應用
CFRP-AM的另一應用是通過復雜的結構設計，以實現(xiàn)具有定制化性能超材料的開發(fā)，圖16為基于CFRP-AM技術的具有聲學、負泊松比特性、電磁波吸收和屏蔽方面性能的超材料應用。

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超材料；(b) 具有可控屏蔽效果的CF復合材料外殼；(c) 用于電磁波吸收和屏蔽的連續(xù)碳纖維增強復合材料結構；(d) 具有負泊松比的連續(xù)碳纖維增強聚酰胺復合超材料

總結
該文主要結論可歸納為以下幾點：
1.CFRP-AM 的設計包含多個設計域，設計域具有高維度和強耦合等特征。
2.不同增材制造技術已被用于CFRP復合材料的制造。然而，增材制造的CFRP復合材料力學性能仍遠低于通過傳統(tǒng)方法制造獲得的構件，力學性能需要進一步提高才能應用于工業(yè)。
3.目前對CFRP-AM材料設計研究主要通過結合不同的傳統(tǒng)熱塑性或熱固性基體材料來提高機械性能。然而，關于基體和增強材料的化學或物理改性和預處理的研究仍然很少。此外，由于對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性能。纖維方向和體積分數(shù)的局部調(diào)控為優(yōu)化CFRP復合材料性能創(chuàng)造了新的可能性�？臻g連續(xù)路徑規(guī)劃策略以及性能驅動的纖維布置需要進一步研究。
5.基于實驗的方法已經(jīng)對工藝參數(shù)對CFRP打印件的性能的影響進行了廣泛的研究。然而，在前期研究中獲得的大部分工藝-性能關系尚未用于設計優(yōu)化。未來的研究應將重點放在將這些映射關系納入產(chǎn)品的優(yōu)化設計中。
6.點陣結構和拓撲優(yōu)化為設計具有可調(diào)機械性能同時保持輕量化的3D打印CFRP復合結構提供了巨大的潛力。然而，復雜形狀復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)需要進一步研究。
7.CFRP-AM具有一體化成形多功能復材的巨大潛力，可以將執(zhí)行器、傳感器和能量存儲模塊等元件一體化集成到同一設備中，從而降低成本并提供更好的結構完整性,為智能設備的開發(fā)鋪平了道路。

原始文獻：
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.