探索3D打印复合材料：工程师实用指南
增材制造可用材料广泛，从PEEK等高性能热塑塑料到钛等航天级金属。
但工程师有时想结合两种材料特性，最佳途径之一便是使用复合材料。用于FDM、SLS等工艺（及新兴技术）的复合材料通常含基体热塑塑料和增强元素（如碳纤维）。两元素比例可变，增强材料整合方式也多样。
随3D打印技术进步，可打印复合材料应用日益广泛。其用户不限工业：部分复合材料（如SLS粉末）主要面向工业用户，但切碎纤维增强热塑塑料等可用于中端FDM打印机，服务消费者与专业用户。
本文作为3D打印复合材料入门指南，介绍热门材料与打印技术，解析切碎纤维与连续纤维复合材料差异，探讨主要应用与优势。
什么是复合材料3D打印材料？
简单说，复合材料由两种或以上不同材料组成。复合材料3D打印专家Markforged定义复合材料为“由多种材料组成，组合后性能区别于原始材料”。
3D打印外复合材料例子：胶合板（不同木单板层压）、钢筋混凝土（钢筋增强混凝土）。
3D打印中，复合材料通常为热塑塑料基体（基质）与增强元素（如碳纤维、玻璃纤维、石墨烯、凯夫拉）组合。（注：双热塑塑料混合如PLA+ABS通常称共混而非复合。）基体材料几乎不限，但工业用户典型选用即使无增强也有优良特性的高性能热塑塑料，如PC、尼龙、PEEK。
复合材料形态多样，最常见为选择性激光烧结（SLS）用混合粉末和熔融沉积建模（FDM）用混合丝材。少见但振奋人心的是连续纤维复合材料：利用新工艺在打印时将连续纤维穿入或编织进热塑基质。此类工艺通常需双喷头：一喷头沉积热塑，一喷头铺设连续纤维。此外还有少量用于光固化3D打印（如SLA）的复合树脂：热固性树脂基体围绕增强纤维骨架固化。
热门复合材料3D打印材料
无论粉末、丝材或其他形态，复合材料3D打印材料通常为追求高强度、高刚度、良好尺寸稳定性、优异比强度而开发。纤维极轻，能在不增重前提下大幅提升热塑塑料强度。3D打印工程复合材料甚至可替代金属。
FDM复合材料基体热塑塑料从廉价端的PLA、ABS到高端的PEEK不等。尼龙是复合SLS粉末主流基体（因其为激光烧结主流材料），高性能PAEK也可用。
放眼整个复合材料领域（含3D打印外），玻璃纤维是最流行增强材，也广泛用于3D打印复合材料。但增材制造内，碳纤维远比玻璃纤维普及，因复合3D打印多用于关键应用，碳纤维优越强度值得额外成本。其他增强材料包括凯夫拉、石墨烯。
基体材料
- 聚酰胺/尼龙 (PA)
- 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS)
- 聚乳酸 (PLA)
- 聚碳酸酯 (PC)
- 聚醚酰亚胺 (PEI)
- 聚苯硫醚 (PPS)
- 聚醚醚酮 (PEEK)
- 聚芳醚酮 (PAEK)
增强材料
- 碳纤维
- 玻璃纤维
- 玻璃微珠
- 凯夫拉
- 石墨烯
- 其他金属
市场品牌复合材料例子：EOS PA 640-GSL（PA12尼龙SLS粉末，玻璃微珠+碳纤维增强）；3DXTech CarbonX PETG+CF（切碎碳纤维增强PETG FDM丝材）；Markforged Onyx（碳纤维填充尼龙基体，配合Markforged专有技术可再增强连续纤维）。
复合材料3D打印工艺
除少数例外，复合材料3D打印关键技术为熔融沉积建模（FDM）、选择性激光烧结（SLS）和连续纤维打印新技术。
FDM
FDM是塑料零件最广泛用的3D打印工艺，许多中端设备能处理碳纤维增强ABS等复合材料。FDM复合材料由热塑基体和（通常）切碎的不连续纤维组成。这些纤维能增强刚性，但大量添加会增加打印难度并负面影响表面质量。
SLS
SLS是另一适合生产复合零件的塑料3D打印工艺。因SLS系统成本与复杂度高，主要用于工业用户。材料为热塑粉末（常为尼龙）与切碎纤维或玻璃微珠等增强元素混合。注意复合SLS粉末非通用；EOS等硬件厂商有专用复合打印设备。
新型连续纤维工艺
增材制造最前沿领域之一是连续纤维复合材料打印——下节详述。Markforged、Desktop Metal、Orbital Composites、9T Labs、Anisoprint等均开发了复合增材制造硬件，能在打印时将连续纤维整合进热塑零件，典型方式为用独立喷头向各层送入连续纤维。
切碎纤维与连续纤维复合材料
含增强纤维的复合材料3D打印材料可分两大类：切碎纤维复合材料和连续纤维复合材料。两复合材料成分完全相同，但性能截然不同，取决于纤维是切碎还是连续。
- 切碎纤维是碳纤维或凯夫拉等增强材的微小短丝。典型长度小于1mm，易混入热塑基体（PLA、ABS等），赋予普通塑料更高强刚度。切碎纤维极通用：可与多种热塑基体混合，所得复合材料可在普通3D打印机打印。但切碎纤维混入基体后，各纤维取向随机，导致材料强度低于连续纤维材料。
- 连续纤维则是长的、单向增强丝，整合进热塑基质后提供远超切碎纤维的强度。因单丝能沿全长吸收分布载荷，较长连续长度比微小切碎丝有更大承载能力。仅近五年连续纤维复合3D打印成主流，多厂商开发自有技术。显而易见，连续纤维复合打印比切碎纤维贵，因需专用硬件。
复合材料应用
复合材料跨行业用途广泛，应用跨越原型、最终用途零件、工装。
使用增材制造与3D打印复合材料的行业包括航空航天、汽车、电子、消费品、医疗、工业。多数行业用复合3D打印制造小尺度高刚度零件（虽有大幅面挤出设备能打印复合材料）。
工装——无论大小规模——是复合3D打印特别相关的应用，因增强材料最适合模具和末端工装。
就具体技术而言，连续纤维3D打印提供最大应用潜力（对比FDM或SLS），虽仍处早期，不如切碎纤维3D打印普及。
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