未来复合制造：AFP与增材制造协同创新

“过印”预制CFRP表面与支架（左上），混合工艺如3D打印与绕丝成型（右上），AFP层压板上3D打印芯材与3D打印芯材上AFP铺皮（右下），CEAD AM Flexbot 45°打印（左下）。图片来源：慕尼黑工业大学碳复合材料教席

2020年9月，我参加了虚拟研讨会“未来复合制造——AFP与AM”，即自动化铺丝（AFP）与增材制造（AM）。研讨会由慕尼黑工业大学（TUM，德国慕尼黑）碳复合材料教席（LCC）主办，合作伙伴包括澳大利亚国立大学（ANU，堪培拉）。研讨会回顾了TUM与ANU的复合材料研发能力，以及与AFPT、空客、宝马、CEAD、DLR、Fraunhofer、GKN Aerospace、INOMETA、SGL Carbon、Victrex等工业伙伴的已完成及进行中项目。

TUM与ANU合作始于2010年AutoCRC项目，开发热塑性复合材料压缩天然气（CNG）储罐。联合研发持续至今，包括成立澳大利亚研究委员会先进复合材料自动化制造中心（AMAC）及ANU三大重点领域：

• 材料增强
  • 纳米级材料与涂层提升碳复合材料功能性能
  • 石墨烯增强预浸带提升热/电导率
• 激光AFP
  • 与福特合作开发复合增强钢
  • 加热偏置数字控制，如转角/3D几何工艺稳定性
• X射线CT先进诊断

Drechsler教授讨论了材料挤出（MEX，3D打印纤维增强复合材料最常用工艺）与AFP ISC的相似性：

• 局部循环热处理
• 基于层的设计与各向异性材料特性
• 沿2D/3D编程路径铺料及层间热激活

随后探讨复合材料未来需求，以及AFP与MEX结合如何提供解决方案，含近期工具制造、长期高性能轻量结构，兼顾成本效益与生态可持续性。

Drechsler教授介绍LCC的MEX设备及增材制造过去/进行中研发项目。

关于ISC AFP，LCC近期及进行中发展包括：

• 容器绕丝头，支持压力容器（含氢储罐）产业化
• 激光束加热闭环控制
• 流体冷却辊固结
• 带材表征优化ISC

LCC在MEX与3D打印方面的发展在随后两天多场演讲中进一步探讨。

CEAD与大规模3D打印

Drechsler主题演讲后，CEAD（荷兰代尔夫特）执行董事Maarten Logtenberg演讲。CEAD成立于2014年，基于连续纤维增材制造（CFAM）技术销售商业系统，含龙门式封闭单元（CFAM Prime）与机器人系统（AM Flexbot）。LCC拥有后者并合作多项目（见《CW》关于CEAD与TUM LCC合作的文章）。

Logtenberg亮点：CEAD开发混合方案集成CNC铣削、大尺寸加热打印床（1.2m×3m、1.2m×2m）及加热旋转打印床；追求更大单元与45°打印；打印纤维增强工具用于商用飞机部件连续高压釜生产。

Logtenberg指出：3D打印高压釜工具主要挑战是热膨胀，超4米工具膨胀过大难以通过设计充分补偿（见“混合大幅面增材工具制造”）。解决方案：用AM Flexbot等系统沉积连续纤维替代目前多用的切碎纤维增强。

GKN Aerospace慕尼黑Thomas Herkner演讲“3D打印轨道加强件用于复合襟翼生产”支持该路径。这些3D打印CFRP加强件用作空客A350/A330起落襟翼生产工具。虽该成功项目用切碎纤维增强，Herkner展示路线图：进一步开发用连续纤维3D打印工具，最终用于飞机部件本身。

LCC研究员Patrick Consul在CW博客中阐述该路径。Consul也在研讨会演讲，探讨大规模挤出基AM工艺设计。他讨论玻璃化转变与相变如何代表切碎纤维增强颗粒熔融挤出时材料性能最大变化（CFAM、AM Flexbot等系统）。

Consul分析MEX参数（聚合物粘度、挤出温度、扭矩）如何影响打印复合材料结晶度，进而影响3D打印层间熔接。除层间结合，还探讨纤维取向与打印层残余应力。解决方案之一：打印时用激光预热基材——广泛用于热塑性复合ISC AFP，将知识从AFP迁移至AM。初步实验用可控激光二极管环。

Consul同事Matthias Feuchtgruber随后演讲，从工艺设计与材料表征推进至复合AM虚拟工艺链开发。

Alexander Matschinski演讲复合AM无限长纤维集成，展示图表（后成为《CW》次世代增刊连续纤维3D打印文章基础修正图）。还讨论连续纤维AM结构设计与未来“过印”预制CFRP零件/表面开发。

SGL Carbon的Dr. Christopher Ebel展示连续纤维其他有趣应用：增强汽车钢制底盘结构，零件数从37减至9，减重41%。另一概念：用速固环氧树脂浸渍托普雷格3D绕丝成型载荷优化结构。该数字化驱动方法从复杂载荷简化与拓扑优化开始，继之自动化制造。成品可利用嵌件形锁嵌入结构，实现无刚度损失载荷引入。最新3D金属打印工艺可制造此类嵌件，进一步优化载荷处理效率与成本。

DLR的Sebastian Nowotny讨论3D打印与热塑性复合ISC AFP结合，含3D打印到AFP层压板、AFP到部分开放3D打印结构。初步实验：在预制CFRP蒙皮上3D打印芯材，再AFP/铺带于3D打印芯材上。制作试样进行拉伸剪切测试评估蒙皮-芯材结合。

Christian Weimer（空客中央研发材料主管）讨论连续纤维打印作为技术演进一部分，旨在减重、降成本、增可持续性，为复合材料在未来飞机占据一席之地。他强调真正高效3D复合材料必须具备：

• 正确原材料与半成品——纤维、半成品
• 高效工艺与接口——热塑性AM、注塑成型
• 适配设计与尺寸——一体化、全3D载荷优化
• 表面与功能——ESN（电子序列号）、SHM（结构健康监测）

他还讨论生物基纤维与树脂以满足紧迫气候与环境可持续性目标。

TUM研讨会还有更多演讲，含ANU工作总结，均精彩展示复合材料前行路径，及LCC携手全球伙伴持续构想复合材料可能、推动行业前进。