空天領域用3D打印纖維復合材料研究進展

摘 要 3D打印技術是一種將材料、電氣、機械、數控和計算機技術集成到一起的新型成型技術，具有材料利用率高、成本低、工藝簡單易行等特點；纖維復合材料，是一種具有高比強度、比模量、可設計性強的材料。而3D打印纖維復合材料的制備，是3D打印制造領域與玻璃鋼材料制備的交叉研究方向。本文介紹了3D打印工藝在纖維復合材料領域的優勢、成型方法，闡述了3D打印在該領域的研究意義、技術難點，對國內外先進機構在航空航天領域的最新研究進展進行了綜述分析，最后對該研究的未來發展方向進行了展望。

關鍵詞 3D打印；復合材料；纖維增強；成型方法

Research Progress of 3D Printed Fiber Composites Used in Aerospace Field

WANG Lichao， LI Xiang， YI Cuiyun， LI Jinru

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT 3D printing technology is a new molding technology integrating materials， electricity， machinery， numerical control and computer technology， which has the characteristics of high material utilization rate， low cost and simple process. Fiber composite is a kind of material with high specific strength， specific modulus and strong designability. The preparation of 3D printing fiber composites is the cross research direction between 3D printing manufacturing field and FRP material preparation. This paper introduces the advantages and molding methods of 3D printing technology in the field of fiber composites， expounds the research significance and technical difficulties of 3D printing in this field， summarizes and analyzes the latest research progress of advanced institutions at home and abroad in the aerospace field， and finally looks forward to the future development direction of this research.

KEYWORDS 3D printing; composite materials; fiber reinforcement; forming method

1 引言

伴隨著世界制造能力的飛速發展、工業4.0和中國制造2025新時代的到來，智能化、數字化已成為全球制造業發展的主要方向，3D打印技術作為（又稱增材制造）智能制造時代的一種新興技術，正在各行各業中扮演著重要角色，3D打印技術又被稱為第三次工業革命的重要標志之一，因此也吸引了大眾的高度關注［1-3］。

3D打印技術是一種將材料、電氣、機械、數控和計算機技術集成到一起的新型成型技術，在過去的幾年中，由于3D打印技術具有材料利用率高、成本低、工藝簡單易行等特點，在成型復雜形狀產品方面更具優勢，3D打印技術目的是實現三維零件的無模成型，減少制造成本，縮短零件的整個設計、制造周期。因其可實現復雜幾何形狀的制造能力，導致制造業對3D打印的興趣大大增加。這些特性使得3D打印結構可以直接應用于各種環境中，3D打印技術目前廣泛應用于不同的工程領域（機械，生物醫學，航空航天，電子等）。例如，2020年5月，由中國航天科技集團有限公司研制的新一代載人飛船試驗船，搭載“復合材料空間 3D打印系統”按計劃在軌正常飛行，該系統成功完成了纖維復合材料樣件打印工作，驗證了微重力環境下復合材料 3D 打印的科學實驗目標，本研究是人類歷史上首次成功開展的“連續纖維增強復合材料太空 3D 打印”實驗，進一步挖掘 3D打印在航天領域的應用潛力與價值［4］。事實上，通過3D打印技術，創建和修改數字模型并將其快速轉換為物理對象的可能性，為產品定制、工藝成本降低和設計的多功能性提供了許多機會。這些技術可以處理的材料包括聚合物、金屬、粉末、纖維、陶瓷、粘土和食品［5］。

隨著3D打印技術和纖維復合材料的不斷發展，兩者的結合為制造業、環境保護和科技創新帶來了巨大推動。制造業的轉型升級、節能減排和資源利用、創新驅動和科技競爭力都將因3D打印纖維復合材料的應用而實現新的突破。當今，對結構和功能可定制的3D打印材料需求不斷增長，聚合物仍然扮演主導角色。連續纖維增強熱塑性復合材料因其具有高的比強度、比模量、可設計性，在航空、航天、汽車等輕量化結構件中扮演者越來越重要的角色。采用3D打印纖維復合材料，是用最少的工具快速制造復合材料物體的理想方法。

2 成型方法

經過多年的發展以及技術沉淀，3D打印工藝突破了傳統零件依賴多工序結合進行制造的方式，基于“離散堆積”的思想，能根據零件的三維數字化模型直接制造出實體零件。發展至今，3D打印技術已經衍生出多種成型工藝，其中適用于航空復合材料制造的技術主要有定向能量沉積（DED）、選擇性激光燒結（SLS）、材料擠出（ME）、立體光刻（SLA）、分層實體制造（L0M）、熔融沉積成型（FDM）等。黨樂等［6］對3D打印復合材料制造技術所需要的原材料、原理和特點進行了較為詳細的總結，見表1。

3 3D打印復合材料技術在航空航天領域應用

3D打印纖維復合材料技術最初起源于國外，經過多年的發展日漸成熟。目前國外已經有多個相關應用案例［7-12］。國內相關研究起步相對較晚，近些年哈爾濱工業大學、武漢理工大學等高校研究所在該技術領域進行了深入的研究并積累了大量的經驗［13-16］，但在技術上較國外先進機構仍存在差距。

3D打印纖維復合材料在航空航天領域的應用是一項具有巨大潛力的技術。通過3D打印技術和纖維復合材料結合，可以實現大規模、復雜形狀結構件的快速制造。傳統的纖維復合材料成型工藝往往需要復雜而昂貴的模具，而3D打印技術可以直接將零件從數字設計文件轉化為實體，消除了模具的需求，降低了制造成本和周期。此外，3D打印技術可以實現復雜幾何形狀高度定制化的制造，包括傳統工藝難以實現的結構件，根據具體要求調整纖維分布和層疊方式，提高結構件的性能。例如，復雜內部結構和集成傳感器的部件提高了飛機的性能和安全性。

3.1 國外研究進展

美國3D打印纖維復合材料技術一直走在世界前列。美國航空航天局與路易斯維爾大學和美國空軍合作在3D打印纖維復合材料方面積累了豐富經驗。利用熱固性聚酰亞胺樹脂和碳纖維，通過選擇性激光燒結技術成功實現了具有耐高溫屬性的復合材料部件生產。在這項技術中，熱固性聚酰亞胺樹脂被用作填充材料，并經過選擇性激光燒結后進行固化，以提高其耐熱性能。該技術的成功應用使得復合材料部件的玻璃化轉變溫度達到了370 ℃。

作為全球最大的雷達與軍艦制造商之一，諾斯羅普·格魯于2022年9月宣稱，已在碳/碳復合材料3D打印技術上取得了重大突破。該公司生產的復雜的耐熱構件致力于制造高超音速和其它高速武器。

3.2 國內研究進展

在新一代載人飛船實驗船在軌飛行任務中，由我國529廠—西交大團隊共同研制的“連續纖維增強復合材料太空3D打印裝備”實現了國際首次連續纖維復合材料太空環境增材制造技術，為我國未來在軌制造零件提供了技術儲備。

中國運載火箭技術研究院航天材料及工藝研究所采用連續增材制造系統，研制了長征五號運載火箭上的一個重要部件—級間解鎖裝置保護板，該保護板采用3D打印高分子材料，安裝更為靈活便捷，表面的紅色噴漆具有防水、防鹽霧功能，可起到良好的防護作用。該部件的成功應用，實現了國產新型大幅面增材制造裝備的應用驗證。

4 未來挑戰和發展方向

4.1 3D打印纖維復合材料面臨的挑戰

（1）挑戰之一是選擇合適的纖維和基體材料，因為不同的纖維和基體材料的結構和物化特性不同，容易導致打印過程中的溫度、黏度不匹配等問題。此外，還需要解決纖維排列方向、過多纖維導致堵塞、纖維方向可能會分層等問題。

（2）另一個挑戰是打印過程中纖維使用量的控制。如果纖維太少，會導致3D打印的強度不夠，如果纖維太多，會導致打印機不能正常工作。同時，還需要考慮纖維長度、拓撲結構等因素，以確保產品在力學性能上滿足需求。

4.2 3D打印纖維復合材料未來發展方向

（1）開發新型纖維復合材料的材料設計與合成。目前市面上大部分的3D打印材料還是傳統的金屬、塑料等單一原料，針對特定的應用場景，新型材料的研究和開發是未來一個重要的發展方向。

（2）發展更加精密高效的3D打印技術。新的制造技術和軟件可以使復雜的纖維復合材料得以精準地定位和控制，同時，在3D模型構建和設計中融入材料、機器和應用的全過程，以便更加合理地規劃3D打印的過程。

（3）向數字化制造技術方向擴展。數字化技術可以更加有效地利用數據分析，進行數字化的材料分析、設計和生產控制，大大縮短了復合材料的開發周期、降低其成本，為3D打印的未來發展提供了新的思路和方向。

5 結語

纖維增強復合材料經歷了多年的發展，在航空、航天、武器裝備等諸多重要領域輕量化方面扮演者越來越重要的角色，3D打印工藝因其在先進樹脂基復合材料領域應用前景廣闊，而備受各國追捧。我國是航空航天大國，因此開展該技術的深入研究，直接關系到我國空天領域高質量發展以及國防安全。我國在該領域起步晚，近些年在國內迅速發展，3D打印逐漸吸引了越來越多的學者，但仍面臨著工藝成熟度低、技術儲備不足以及應用經驗欠缺等問題，在成型材料、成型工藝、成型設備等前沿領域方面具有很大的發展空間。

3D打印開啟了新型制造模式，為制造業轉型升級提供服務。作為一項剛剛興起的新技術，3D打印纖維復合材料將以集智能物聯、傳感監測、智能診斷、動態工藝為一體為發展目標，助力纖維復合材料在高新技術領域的高質量發展。

參 考 文 獻

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［3］鄭天宇. 連續纖維復合材料3D打印關鍵技術研究［D］. 哈爾濱工業大學.

［4］翟媛媛， 房磊. 我國完成人類首次\"連續纖維增強復合材料太空3D打印\"［J］. 河南科技， 2020（13）：1.

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通訊作者：王立超，男，碩士研究生，助理工程師。研究方向為復合材料制造工藝。E-mail：1939499950@qq.com