武漢理工大學楊磊&華中科技大學閆春澤團隊：碳纖維增強復合材料的增材制造！

來源：增材在線

碳纖維增強復合材料（CFRC）由于比金屬和合金具有更高的強度重量比和模量，已廣泛應用于汽車、航空航天、運動器材和其他工業(yè)領域。增材制造CFRC的創(chuàng)新為設計和制造高性能、低成本復雜復合材料結構開辟了新途徑。

2023年12月8日，武漢理工大學楊磊副教授團隊與華中科技大學閆春澤教授團隊合作，在《Applied Composite Materials》期刊發(fā)表最新綜述文章“Additive Manufacturing of Carbon Fiber-reinforced Composites: A Review”，對碳纖維增強復合材料的增材制造進行了全面闡述。楊磊副教授和閆春澤教授為共同通訊作者。

文章首先根據(jù)碳纖維的結構和基材類型，回顧了現(xiàn)有的可行技術及其關鍵要素，重點研究了熔融沉積成型（FDM）和選擇性激光燒結（SLS）增材制造CFRCs。此外，還詳細闡述了增材制造CFRC的典型應用和設想，并從材料、設備、軟件等方面總結了存在的挑戰(zhàn)和問題。未來需要更多先進材料、多工藝、先進裝備、結構設計等跨學科研究，機器人輔助增材制造和綠色制造方法將有更廣闊的研究空間。

圖1. 三種不同的碳纖維增強材料類型及其適用的增材制造工藝。

圖2. 單輸入-單輸出熔融沉積成型制造方法。

圖3. 原位浸漬設備及原理：多輸入單輸出制造方法；b 帶同心管的打印機

挑戰(zhàn)和問題
與傳統(tǒng)制造相比，增材制造在縮短上市時間、提供個性化服務和擴展設計選項方面具有巨大潛力。然而，增材制造CFRC的制造精度和靈活性也受到原材料、設備和路徑規(guī)劃算法的限制。

原材料方面應選擇初始性能優(yōu)異的碳纖維預浸料，以利于后續(xù)增材制造。短碳纖維預浸料的制備工藝比連續(xù)碳纖維預浸料簡單，但制成的零件的力學性能遠不如連續(xù)碳纖維零件突出。高性能連續(xù)碳纖維預浸料應具有低孔隙率、高樹脂封裝度和均勻的碳纖維分散性。迄今為止，文獻報道的碳纖維預浸料都是通過拉伸強度和模量來判斷的，而對孔隙率、樹脂封裝性、碳纖維分散性等性能沒有統(tǒng)一的量化標準。

對于設備而言，當前的龍門系統(tǒng)限制了零件尺寸和復雜性。而且，自由沉積方法難以形成致密部件。因此，機器人輔助增材制造技術受到越來越多的關注。多自由度機器人系統(tǒng)允許在增材制造過程中改變堆積方向，使得在沒有支撐的情況下打印曲線和懸伸特征成為可能。然而，機器人輔助增材制造中需要解決一些關鍵問題。首先，市面上主流的切片軟件無法生成與機器人語言兼容的G代碼數(shù)據(jù)，導致難以快速獲取適應機器人語言的多模型切片數(shù)據(jù)。此外，機器人輔助增材制造精度較低，可能會影響零件的后續(xù)加工和機械性能。最后，對于一些大型物體的制造，需要同時使用多個機器人，但這會帶來協(xié)同問題。

對于規(guī)劃算法，目前已有很多針對蜂窩結構的連續(xù)路徑算法的研究，但這些算法并不適合所有目標。在增材制造過程中，需要避免打印路徑中的大拐角和交叉點以控制零件精度，但這些因素尚未得到充分考慮。此外，對于異構對象，如何宏觀地設置每層路徑的起點也是路徑規(guī)劃的關鍵因素，但這方面目前尚未見報道。因此，路徑規(guī)劃仍然是連續(xù)碳纖維增材制造的關鍵問題之一。迫切需要開發(fā)一套可用于各種復雜結構的路徑規(guī)劃算法，以使連續(xù)碳纖維增材制造更加靈活。

未來展望
1. 高品質(zhì)、高含量碳纖維預浸料是纖維預浸料的發(fā)展方向。原材料的優(yōu)劣直接影響成型件的性能。不同的CFRC添加劑技術對原材料的要求不同。碳纖維預浸帶工藝和設備已經(jīng)成熟，但ATP、FDM等工藝的碳纖維預浸材料尚未完全商業(yè)化。而且，目前碳纖維預浸料長絲的孔隙率較高，纖維含量較低，急需低孔隙率（小于1%）、高比含量（大于50%）的高質(zhì)量碳纖維預浸料。

2. 工藝參數(shù)的優(yōu)化仍然是未來研究的重點。如果沒有工藝參數(shù)的最佳組合，任何具有高機械性能的CCFRC零件都無法實現(xiàn)，這也應涵蓋纖維路徑的規(guī)劃。探索力、溫度和纖維路徑對CCFRC增材成型工藝的影響將有助于我們更好地控制零件的性能。

3. 通過模擬方法探索工藝機理是增材制造碳纖維增強復合材料工藝研究的發(fā)展方向。其加工核心是復合材料長絲中的樹脂熔融和凝固成型過程，相關工藝研究側(cè)重于單因素或多因素實驗研究。然而，一些增材工藝異常復雜，例如ATP、機器人增材制造和其他工藝。在激光輻射的作用下，樹脂熔化并固化。在這個過程中，存在著能量的吸收、轉(zhuǎn)換和傳遞，以及樹脂熔融流場和外部壓力的作用。因此，對該過程進行建模非常困難，關鍵是構建多場耦合的熱力流模型。

4. 增材制造CFRC可用于結構輕量化設計和功能賦能。對于前者，可以開發(fā)更多種類的蜂窩狀多孔結構。例如，標準的六邊形蜂窩已經(jīng)從基本的蜂窩形狀發(fā)展到截角方形、凹角六角芯和手性蜂窩的變化，這有利于機械和熱性能的結合，以實現(xiàn)有效的結構負載支撐和熱管理。該晶格結構有望進一步減輕碳纖維部件的重量，同時實現(xiàn)可定制的機械性能。對于后者，增材制造的零件可以被賦予更多的功能，例如聲學、熱學和形狀記憶特性，即從3D打印擴展到4D打印。

5. CFRC的增材制造正在朝著多材料/梯度設計方向發(fā)展。目前，大多數(shù)增材制造設備只能形成內(nèi)部材料分布相對均勻的單一材料部件。但由于連續(xù)碳纖維性能具有明顯的方向性，可以通過路徑規(guī)劃得到不同的填充策略、不同的填充密度或不同的填充材料，從而實現(xiàn)不同的性能。因此，通過增材制造來制造多材料/梯度設計的碳纖維增強復合材料部件將是未來的一個重要方向。

綜上所述，碳纖維增材制造還處于初級階段，很多結構尚未實現(xiàn)，更多功能尚未探索。為了實現(xiàn)這些目標，整合先進材料、智能器件、精密工藝、巧妙的結構設計等領域?qū)⑹且粋�巨大的挑戰(zhàn)。

通訊作者

楊磊，男，工學博士，武漢理工大學副教授，長期從事“增材制造工藝、裝備與應用”的研究工作。作為項目負責人主持國家自然科學基金青年項目、國防預研創(chuàng)新特區(qū)、湖北省自然科學基金青年基金等項目；以參與單位課題負責人參與國家自然科學基金重點項目、湖北省重點研發(fā)計劃等項目。近5年，在國內(nèi)外學術期刊發(fā)表論文39篇，以第一或通訊作者在Acta Materialia等國際期刊發(fā)表SCI論文20篇（含ESI高被引2篇），出版學術專著3部，授權發(fā)明專利10項。

閆春澤，華中科技大學二級教授、博導，教育部長江學者特聘教授、湖北省百人計劃特聘教授，現(xiàn)擔任材料成形與模具技術全國重點實驗室主任、增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心主任、湖北省增材制造技術國際科技合作基地主任等職務；國際期刊Smart Manufacturing、Journal of Micromechanics and Molecular Physics和Advanced Manufacturing副編輯（Associate Editor），以及Materials Science in Additive Manufacturing和Materials編委（Editorial Board Member）；全國增材制造標準化技術委員會（SAC/TC562）委員、國際標準化組織ISO/TC 261增材制造標準化技術委員會委員。主持國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金重點、航天聯(lián)合基金重點、工信部工業(yè)轉(zhuǎn)型升級重點、湖北/廣東省重大科技專項等國家、省部級項目，主要從事粉末床熔融激光增材制造技術的研究，提出增材制造復合粉末材料的溶劑沉淀制備方法和大型碳化硅陶瓷構件的激光選區(qū)燒結-反應熔滲復合整體成形方法，研發(fā)的增材制造材料與裝備已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在中國航發(fā)、航天科技等單位得到應用，并出口美英德澳等國。以第一或通訊作者在Adv. Mater.、Acta. Mater.、Adv. Sci.、Nano Today、ACS Appl. Mater. Inter.等期刊發(fā)表SCI收錄論文70余篇，SCI他引6000余次；授權發(fā)明專利74項，包括第一發(fā)明人獲美日歐德俄國際發(fā)明專利14項；第一作者出版專著、教材8部，包括Elsevier英文專著2部；牽頭/參與制定國家標準4項。相關成果獲國家技術發(fā)明二等獎（排2）、國家科技進步二等獎（排3）、中國十大科技進展（核心成員）、湖北省技術發(fā)明一等獎（排3）、中國專利優(yōu)秀獎（2項，均排1）、湖北專利金獎（排1）、日內(nèi)瓦國際專利金獎（排1）。

論文引用

Hu, Y., Lin, Y., Yang, L. et al. Additive Manufacturing of Carbon Fiber-reinforced Composites: A Review. Appl Compos Mater (2023).

https://doi.org/10.1007/s10443-023-10178-w