武漢理工大學(xué)楊磊&華中科技大學(xué)閆春澤團(tuán)隊(duì)：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增材制造！

來源：焊接科學(xué)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRC）由于比金屬和合金具有更高的強(qiáng)度重量比和模量，已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、運(yùn)動(dòng)器材和其他工業(yè)領(lǐng)域。增材制造CFRC的創(chuàng)新為設(shè)計(jì)和制造高性能、低成本復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)開辟了新途徑。

近日，武漢理工大學(xué)楊磊副教授團(tuán)隊(duì)與華中科技大學(xué)閆春澤教授團(tuán)隊(duì)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(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增材制造進(jìn)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(jié)構(gòu)和基材類型，回顧了現(xiàn)有的可行技術(shù)及其關(guān)鍵要素，重點(diǎn)研究了熔融沉積成型（FDM）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）增材制造CFRCs。此外，還詳細(xì)闡述了增材制造CFRC的典型應(yīng)用和設(shè)想，并從材料、設(shè)備、軟件等方面總結(jié)了存在的挑戰(zhàn)和問題。未來需要更多先進(jìn)材料、多工藝、先進(jìn)裝備、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等跨學(xué)科研究，機(jī)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(qiáng)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(shè)備及原理：多輸入單輸出制造方法；b 帶同心管的打印機(jī)

挑戰(zhàn)和問題

與傳統(tǒng)制造相比，增材制造在縮短上市時(shí)間、提供個(gè)性化服務(wù)和擴(kuò)展設(shè)計(jì)選項(xiàng)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(shè)備和路徑規(guī)劃算法的限制。

原材料方面應(yīng)選擇初始性能優(yōu)異的碳纖維預(yù)浸料，以利于后續(xù)增材制造。短碳纖維預(yù)浸料的制備工藝比連續(xù)碳纖維預(yù)浸料簡(jiǎn)單，但制成的零件的力學(xué)性能遠(yuǎn)不如連續(xù)碳纖維零件突出。高性能連續(xù)碳纖維預(yù)浸料應(yīng)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(xiàn)報(bào)道的碳纖維預(yù)浸料都是通過拉伸強(qiáng)度和模量來判斷的，而對(duì)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(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于設(shè)備而言，當(dāng)前的龍門系統(tǒng)限制了零件尺寸和復(fù)雜性。而且，自由沉積方法難以形成致密部件。因此，機(jī)器人輔助增材制造技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。多自由度機(jī)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(jī)器人輔助增材制造中需要解決一些關(guān)鍵問題。首先，市面上主流的切片軟件無法生成與機(jī)器人語言兼容的G代碼數(shù)據(jù)，導(dǎo)致難以快速獲取適應(yīng)機(jī)器人語言的多模型切片數(shù)據(jù)。此外，機(jī)器人輔助增材制造精度較低，可能會(huì)影響零件的后續(xù)加工和機(jī)械性能。最后，對(duì)于一些大型物體的制造，需要同時(shí)使用多個(gè)機(jī)器人，但這會(huì)帶來協(xié)同問題。

對(duì)于規(guī)劃算法，目前已有很多針對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的連續(xù)路徑算法的研究，但這些算法并不適合所有目標(biāo)。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(diǎn)以控制零件精度，但這些因素尚未得到充分考慮。此外，對(duì)于異構(gòu)對(duì)象，如何宏觀地設(shè)置每層路徑的起點(diǎn)也是路徑規(guī)劃的關(guān)鍵因素，但這方面目前尚未見報(bào)道。因此，路徑規(guī)劃仍然是連續(xù)碳纖維增材制造的關(guān)鍵問題之一。迫切需要開發(fā)一套可用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(yù)浸料是纖維預(yù)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(shù)對(duì)原材料的要求不同。碳纖維預(yù)浸帶工藝和設(shè)備已經(jīng)成熟，但ATP、FDM等工藝的碳纖維預(yù)浸材料尚未完全商業(yè)化。而且，目前碳纖維預(yù)浸料長(zhǎng)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(yù)浸料。

2. 工藝參數(shù)的優(yōu)化仍然是未來研究的重點(diǎn)。如果沒有工藝參數(shù)的最佳組合，任何具有高機(jī)械性能的CCFRC零件都無法實(shí)現(xiàn)，這也應(yīng)涵蓋纖維路徑的規(guī)劃。探索力、溫度和纖維路徑對(duì)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(jī)理是增材制造碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工藝研究的發(fā)展方向。其加工核心是復(fù)合材料長(zhǎng)絲中的樹脂熔融和凝固成型過程，相關(guān)工藝研究側(cè)重于單因素或多因素實(shí)驗(yàn)研究。然而，一些增材工藝異常復(fù)雜，例如ATP、機(jī)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(gè)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(chǎng)和外部壓力的作用。因此，對(duì)該過程進(jìn)行建模非常困難，關(guān)鍵是構(gòu)建多場(chǎng)耦合的熱力流模型。

4. 增材制造CFRC可用于結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)和功能賦能。對(duì)于前者，可以開發(fā)更多種類的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)。例如，標(biāo)準(zhǔn)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(jī)械和熱性能的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)有效的結(jié)構(gòu)負(fù)載支撐和熱管理。該晶格結(jié)構(gòu)有望進(jìn)一步減輕碳纖維部件的重量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)可定制的機(jī)械性能。對(duì)于后者，增材制造的零件可以被賦予更多的功能，例如聲學(xué)、熱學(xué)和形狀記憶特性，即從3D打印擴(kuò)展到4D打印。

5. CFRC的增材制造正在朝著多材料/梯度設(shè)計(jì)方向發(fā)展。目前，大多數(shù)增材制造設(shè)備只能形成內(nèi)部材料分布相對(duì)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(shí)現(xiàn)不同的性能。因此，通過增材制造來制造多材料/梯度設(shè)計(jì)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料部件將是未來的一個(gè)重要方向。

綜上所述，碳纖維增材制造還處于初級(jí)階段，很多結(jié)構(gòu)尚未實(shí)現(xiàn)，更多功能尚未探索。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，整合先進(jìn)材料、智能器件、精密工藝、巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域?qū)⑹且粋�(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

通訊作者

楊磊，男，工學(xué)博士，武漢理工大學(xué)副教授，長(zhǎng)期從事“增材制造工藝、裝備與應(yīng)用”的研究工作。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、國防預(yù)研創(chuàng)新特區(qū)、湖北省自然科學(xué)基金青年基金等項(xiàng)目；以參與單位課題負(fù)責(zé)人參與國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目。近5年，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)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(xué)術(shù)專著3部，授權(quán)發(fā)明專利10項(xiàng)。

閆春澤，華中科技大學(xué)二級(jí)教授、博導(dǎo)，教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、湖北省百人計(jì)劃特聘教授，現(xiàn)擔(dān)任材料成形與模具技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shù)國際科技合作基地主任等職務(wù)；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(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC562）委員、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC 261增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員。主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)、航天聯(lián)合基金重點(diǎn)、工信部工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)重點(diǎn)、湖北/廣東省重大科技專項(xiàng)等國家、省部級(jí)項(xiàng)目，主要從事粉末床熔融激光增材制造技術(shù)的研究，提出增材制造復(fù)合粉末材料的溶劑沉淀制備方法和大型碳化硅陶瓷構(gòu)件的激光選區(qū)燒結(jié)-反應(yīng)熔滲復(fù)合整體成形方法，研發(fā)的增材制造材料與裝備已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在中國航發(fā)、航天科技等單位得到應(yīng)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(quán)發(fā)明專利74項(xiàng)，包括第一發(fā)明人獲美日歐德俄國際發(fā)明專利14項(xiàng)；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(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)。相關(guān)成果獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)（排2）、國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)（排3）、中國十大科技進(jìn)展（核心成員）、湖北省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)（排3）、中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng)（2項(xiàng)，均排1）、湖北專利金獎(jiǎng)（排1）、日內(nèi)瓦國際專利金獎(jiǎng)（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