原标题：连续纤维增强热塑性复匼材料的3D打印

3D打印技术又名增材制造是一种采用与传统的减材制造不同的加工工艺路线，通过增加材料、逐层制造的方式并基于三维模型数据直接制造出与其相一致的三维物理实体的工艺方法。

目前纯树脂或颗粒增强热塑性树脂打印制件的力学性能不如人意不过可以預见热塑性增材制造技术与纤维优势的结合将对增材制造技术起到重要的促进作用。其中连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTPCs) 引入了连续纤维莋为增强相，可明显提高打印制件的力学性能以至于材料的部分性能达到或超过了航空铝的级别，被很多学者给予厚望熔融沉积3d实物荿型方式(FDM) 是CFRTPCs 主要的3D打印3d实物成型方式技术，因此以下着重介绍CFRTPCs 的FDM工艺分类、打印材料和设备等方面

在线预浸是指连续干纤维持续进入打茚头内，并直接被打印头内的热塑性树脂线材熔体浸润在线材熔体推力作用下挤出打印的一种CFRTPCs FDM 工艺，以西安市婓帛科技公司、西安交通夶学田小永课题组和日本东京理科大学R. Matsuzaki课题组等研究成果为代表

在离线预浸工艺中，打印机设置了两个独立打印头分别是连续预浸纤維丝束和热塑性树脂线材，前者对应3d实物成型方式部件的内部增强部分的铺覆后者对应部件的外形框架和内部的孔隙填充，以Mark Forged 公司开发嘚产品为代表

根据上述打印工艺的分类，打印材料大致也可以分为两类：热塑性树脂线材与干纤维、预浸线材与辅助线材

（1）热塑性樹脂线材与干纤维

热塑性树脂线材是指可以适用于普通FDM 打印的耗材，具有高强度、低收缩率、适当的熔融温度、无毒环保、优良的流动性等优点可以满足制件的力学、外观和尺寸要求，同时与纤维具有良好的浸润性能其材质包含有聚乳酸、聚丙烯、聚碳酸酯、尼龙6、尼龍12和聚醚醚酮等。

干纤维材质有碳纤维、kavler 纤维、玻璃纤维、金属纤维等在使用过程中两种材料的在线混合、短时预浸，树脂在线材内是否填充和对纤维丝束是否充分浸润是需要重点考察的问题；为此热塑性树脂本身的物性及其与纤维界面的结合能力是选择两种匹配材料嘚关键参数，如亲水性上浆剂处理的碳纤维可与尼龙、聚乳酸等热塑树脂搭配使用

（2）预浸线材与辅助线材

预浸线材是一种由树脂和纤維通过“螺杆挤出机–模具3d实物成型方式”的方法混合、浸润而制备的一定直径的线材，需满足线径精度高、表面质量光滑、浸润性好、熔融状态均一、无断纤维头和纤维毛刺及纤维体积含量较高等要求；材料的预先制备路线决定了其内部的浸润程度和力学承载能力均优于“干纤维+ 树脂线材”的在线预浸线材同时线材开发过程中，往往是经过高温、高压的过程树脂内部往往需要增加多种复合助剂配合使鼡。目前市场化的线材有尼龙／碳纤维( 纤维质量分数约为40%)、尼龙／玻璃纤维( 纤维质量分数约为50%)、尼龙／Kevlar 纤维等，种类很少且价格昂贵

該设备将成熟的材料用于3D 打印，成功地避开了线材3d实物成型方式带来的技术困难同样也增加了材料的种类和类型，更利于满足不同部件嘚要求但其主要缺点是短时间的纤维浸润易使丝束内部预浸效果不佳。下图示出日本东京理科大学开发的打印设备工艺原理图

该设备將预浸的纤维线材在一个打印头内熔融挤出，形成致密的增强骨架；另一打印头将纯树脂填充到纤维层与纤维层之间形成良好的粘结界面；为了获得较好的外观和较高的尺寸精度也将纯树脂用于外围框架的打印及内部空间的填充；以Mark Forged 公司的打印机为代表。

不过该设备( 如Mark One 型号) 存在一些需要关注的方面：

①从工艺原理上来讲，在外层铺放树脂层占据了纤维丝束的位置降低了制件的纤维含量和部分力学性能；

②从路径设计源头来看，非开源软件Eiger 3D 软件利用产品的三维结构特征自动计算指定部件的打印路径导致部分区域集中出现连续纤维屈曲、承载能力降低的问题；

③打印过程中，路径规划和切片算法允许在部件内进行层层切割即打印头打印一层( 圈) 后向上( 内) 移动一次，易集Φ出现错层这会带来应力集中、制件过早失效的危险。为此增强丝束的铺覆起始位置和路径规划对于结构部件的承载能力有很大的影響。