磁力 3D 打印重塑复合材料制造：定制微观结构的材料新范式
Fortify（美国马萨诸塞波士顿）2016 年创立，基于 CEO Josh Martin 与东北大学 DAPS 实验室主任 Randall Erb 的复合材料 3D 打印研究（Erb 亦为 Boston Materials 与 Fortify 联创）。目标：快速生产微观结构优化的复合材料。其专利 Fluxprint 技术将磁场与数字光处理（DLP）结合——但用高填充树脂体系——在高分辨率 3D 打印复合部件中构建定制微观结构。
Fluxprint 对比 DLP
DLP 与光固化立体成型（SLA）公认提供最高零件复杂度与精度。两者均依赖光——通常紫外（UV）——固化光敏树脂，树脂通常含环氧或丙烯酸/甲基丙烯酸单体。光数字化导向照射槽内树脂形成各层形状/图案。成型平台每层后移动，打印下层，至实体成品。
DLP 投影仪与 SLA 追溯至 1980 年代 3D 打印伊始。DLP 打印机因内置光投影仪体积较大。多数 SLA/DLP 机用热固性聚合物，但 EnvisionTEC 有机型可用热塑性。两者传统用无增强纯聚合物。
DLP 对比 SLA。来源 | Royal Society of Chemistry 与 Ricardo Pires《DLP vs SLA – 3D Printing Technologies Shootout》（all3DP.com）
"DLP 平台产率与质量足够，" Fortify CEO Josh Martin 言，"但力学性能一直是挑战。核心论断：仅靠聚合物化学无法实现阶跃性能能跃升。但在高分辨率增材领域利用复合材料独特性能将改变游戏规则。"
他解释 Fortify 专攻高填充技术树脂 UV 固化，用独特添加剂控制打印中增强添加剂取向。填料含玻纤、碳纤、陶瓷纤维及颗粒。技术树脂含丙烯酸/甲基丙烯酸基（PMMA）或环氧基、阳离子基——Martin 解释后者在涂料行业更常规。全球顶级树脂厂商（BASF、DSM、杜邦等）大力投资推进添加剂材料性能。Fortify 能甄选这些进展融入增强技术。
纤维取向控制通过磁场实现。Fortify Fluxprint 技术打印部件时，纤维体素级磁性对齐以满足部件载荷需求。（见上视频演示流程。）非磁性增强材料如陶瓷、玻璃颗粒纤维，用专有磁性标记技术包覆填料使其磁响应且与树脂相容。
Fluxprint 工艺如上图所示，描述如下：
- 一层给料材料随机取向供至构建区。
- 施加磁场对齐增强相。
- UV 曝光有效体素，固定这些体素增强取向（现显红）。
- 磁场偏移设定增强相新取向。
- 重复 UV 曝光固定下一组体素取向（按需重复）。
- 构建平台调整引入下一打印层未固化给料基体。
Fluxprint 技术实现打印过程体素级纤维取向控制。来源 | "Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing" by Joshua J. Martin, Brad E. Fiore and Randall M. Erb, Nature Communications volume6, Article number: 8641 (2015)。
为何体素级？
"每个几何体有独特应变应力状态，" Martin 解释，"多数复合材料靠手工制造应对。我们在数字化该过程。如能恰当增强无人机机架，可用更少材料。任何对抗重力的应用根本受益于此。"
体素级打印固有高分辨率。"这是迄今最高分辨率复合材料制造工艺，" Martin 称，熔融沉积建模（FDM）——熔融沉积无增强或短切纤维增强塑料丝——分辨率百微米级，Fluxprint 在十微米级。"数量级提升，进入肉眼感知极限之外。此分辨率对广泛终端用途部件至关重要。"
Fortify Fluxprint 磁力 3D 打印技术可定向纤维增强注塑工具"柱"突起。来源 | Fortify。
"我们提供比传统机加工金属显著更廉、交付快得多且能实现常规加工难达成特征的注塑工具，" Martin 续言，"一客户年迭代 12 次铝加工设计。我们大幅压缩其上市时间，数月产出十余设计。现可从设计到货架上件仅数周。" 另一优势：增强高长径比突出"柱"。此类突出易拔出，增强防拔出同时保严公差。
详见 CW 姐妹刊《Additive Manufacturing》Fortify 注塑工具应用报道。
开放材料，新进展
Fortify 奉行开放材料策略。"不愿限制客户增材领域增长与探索空间，" Fortify 应用副总裁 Karlo Delos Reyes 解释，"拥抱开放创新，保障客户灵活性与最佳可用材料。"
"与大型聚合物制造商合作，定制添加剂表面化学，" Martin 言。每填料在耐磨、耐温性能等有利弊。"纤维长度几微米至几毫米视应用而定。需表面分辨率处用高比例短添加剂。可容粗糙表面但要优化拉伸强度处用长纤维添加剂。"
Fortify 策略之一：与行业领军及供应商伙伴，杠杆专长实现思路交叉授粉。近期与 DSM Additive Manufacturing（荷兰霍克范荷兰、伊利诺伊埃尔金）达成合作，开发用于 Fortify 打印系统的高性能复合材料，拓展力学与温度性能。"将拓展我们树脂调色板，" Martin 言，"期待共同开发前沿树脂。"
Fluxprint 制玻纤增强复合件。来源 | Fortify。
Z 向增强与应用
Fluxprint 仍按层打印。能否实现 Z 向增强？"打印 2 毫米长纤维无法 Z 向铺放，" Martin 言，"但可让更短纤维 Z 向取向。我们关注多长度尺度，未来将为优化载荷传递发展此方向。"
Fortify 已为无人机生产螺旋桨等部件，见更多航天应用。"构建体积小，聚焦易满足小部件体积的应用，" Martin 言，"生态成熟，但我们在高温公差下提供新性能水平。" 引提升部件热变形温度，解释汽车引擎盖下数十部件需在 160°C 环境提供强刚。"此类复杂几何部件极适配我司技术 3D 打印。相比现行 PEI（聚醚酰亚胺）模塑机加工，我们提供更高性能、更短交期、高潜力降本。"
工装也是现有市场，含注塑模、夹具、治具。"我司件更刚、更强、更耐高温，服役中保尺寸精度，" Martin 言，"但真价值在于不需 EDM 等大量后处理，却匹配 CNC 铣削等传统法做治具的质量。"
来源 | MultiMechanics
推进下一代多尺度多功能复合材料
Fortify 与 MultiMechanics（内布拉斯加奥马哈）合作，后者开发先进材料多尺度建模仿真软件。此合作多维有趣。一、Fortify 用 MultiMech 旗舰产品预测零件性能并优化打印前设计与纤维取向。MultiMech 为闭环迭代设计提供反馈，让用户更快定制优化 Fluxprint 复合件。二、双方计划将 MultiMech 集成进 Fortify INFORM 生成式设计与打印控制软件。从设计到虚拟测试到打印——全功能单一数字流管控。
第二点需理解 MultiMechanics 通过 MultiMech 软件提供什么：
- 多尺度有限元分析，含建模几乎无限尺度（纳米、微观、层、层压板、零件）。
- 自动生成复杂 3D 有限元微观结构，建模近乎任意材料微观结构，含连续/短切纤维、颗粒、空隙、泡沫、织物等。
- 模拟微观尺度组分含相互作用、体积分数、分布、取向，导入工艺诱导变异（如 Moldex3D、Moldflow）。
- 分析制造变异如何影响零件性能，执行损伤建模含多尺度微裂纹向宏观裂纹转化。
这回溯 Martin 与 Erb 创立 Fortify 初衷。2015 年文《Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing》述：
Martin 与 Erb 论述天然复合材料利用不连续纤维与增强颗粒组织成多尺度复杂架构实现超越组分的卓越性能。Qunfeng Cheng 2017 年《Materials Today》文例举鲍鱼壳珍珠层。95% 无机文石 + 5% 有机蛋白基体，珍珠层断裂韧性 是文石 3000 倍。Cheng 指此显示远超传统复合材料混合法则的"放大效应"。
2018 年《Advanced Materials》文《Additive Manufacturing as a Method to Design and Optimize Bioinspired Structures》作者 Audrey Velasco-Hogan、Jun Xu、Marc A. Meyers 断言珍珠层、骨、竹、甲壳类贝壳等材料的层级结构成就其强度、模量、轻量、韧性、疲劳抗力的惊人组合。组分颗粒/丝与基体在每一层级组织不同（纳、微、中、宏），各层级性能不同（即多尺度复合）。配合层级间高效界面，层级结构协同抑制裂纹扩展增强韧性同时保硬度——陶瓷百年未解之题。
复合材料未来与 INFORM
这是复合材料未来：设计具独特定制性能的层级复合材料精准适配应用。且已高速推进。例：德国航空航天中心（DLR）斯图加特结构与设计研究所亦与 MultiMechanics 合作，研究温变如何影响陶瓷基复合材料（CMCs）微观结构与材料行为。此分析被视为 DLR 未来 CMC 部件生产关键，含火箭喷嘴、再入飞行器热防护系统等。"MultiMechanics 过去十年致力于精准连接先进材料微观结构行为与整体零件性能及其制造，" MultiMechanics 总裁兼 CTO Dr. Flavio Souza 言。"MultiMech 让我们建模微观裂纹并判其如何影响整体复合件，" DLR 陶瓷复合材料与结构部门组长 Neraj Jain 述。"MultiMech 与 Abaqus、ANSYS 等 FEA 工具高效集成提升生产力，使我们更近虚拟优化 CMC 材料目标。"
虚拟优化后，经嵌入 Fortify INFORM 软件的 MultiMech 打印成型。INFORM 已基于生成式设计骨干面向有机载荷优化架构。（注：Solvay 复合材料事业部亦投资 MultiMechanics 与 3D 打印技术。）
纤维增强晶格，nTopology 提供设计。来源 | Fortify。
"INFORM 用 先进算法为每件优化纤维取向，" Martin 解释。"传统 3D 打印工作流从 STL 切片起步，我们从 FEA 起步（含应力应变模型），再决定体素划分与纤维取向。迭代推进，纤维与应力应变场矢量对齐，仿真打印行为并用数据细化优化设计，实现微观结构生成式设计。"
仅是开始
注：未来复合材料含多材料体系。美国海军研究实验室（NRL，弗吉尼亚阿灵顿）开发用纳米颗粒/丝作二相陶瓷增强的陶瓷基复合材料，亦可用连续纤维增强。即每层级可用不同组分与架构获增强韧性与定制电热性能（如高超声速，详见我 2019 年 7 月纳米复合材料专题）。
来源 | Figure 3, "Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing" by Joshua J. Martin, Brad E. Fiore and Randall M. Erb, Nature Communications, volume 6 (2015)。
层级复合材料亦在用增强环氧墨水与热塑性聚合物基体打印测试。这或是 Fortify 作初创最大上行空间：不只是为未来复合材料备战，已在设计生产它们。虽已成就斐然——仅是开始。
树脂