革新复合材料：MOI Composites的连续纤维制造技术

连续纤维3D打印与沉积技术正加速发展。随着越来越多企业投入应用与推进，这项技术必将深刻重塑复合材料行业。

首先，它实现了无模具、无工装制造；其次，可制造多功能结构（如导电、变形、传感）；第三，它开启了混合制造的广阔天地——如3D打印叠加层压、打印同步铣削，以及从镍钛形状记忆合金纤维到液体沉积建模（LDM）用导电纳米复合材料的近乎无限的材料开发图景。后者本身就是一个全新领域，将在未来博客中深入探讨。

专利WO2017085649A1与Atropos打印系统。来源：moi composites。

MOI Composites成立于2018年2月，由材料工程师兼教授Marinella Levi、设计工程师Gabriele Natale和建筑师Michele Tonizzo共同创立。2013年，Levi教授在米兰理工大学开始研究3D打印。2014年，她在该校“Giulio Natta”化学、材料与化学工程系创立了+LAB，旨在融合研发、教学与材料创新，汇聚工程师、设计师、研究人员和制造者，打造多学科协作的3D打印枢纽。

2014年 首个连续纤维热固性复合材料3D打印工具
2015年 专利WO2017085649A1
2016年 与欧文斯科宁和库卡机器人合作，
Atropos 项目与打印系统
2017年 JEC创新奖、与Autodesk合作、
詹姆斯·戴森奖亚军、
与COMAU自动化合作
（完整时间线）

“我们创立moi composites是为了生产商业化零件并参与国际项目，”Michele Tonizzo解释道。“我们发现市场潜力巨大。我们正在制造生物医学组件，以及海洋、油气和航空航天应用的零件，主要使用玻纤。CFM技术能制造传统方法无法实现的独特解决方案。”

采用连续玻纤3D打印的螺旋桨叶片内部桁架结构（上）。该项目还演示了沿非线性曲线的纤维铺放（左下）和传统铺层取向的连续纤维层压板（如0°、+45°、-45°、90°，右下）。来源：moi composites

树脂与纤维体系

Atropos系统不仅能逐层打印，还能沿非线性曲线沉积断续和连续纤维增强热固性聚合物，利用紫外光（UV）原位固化。“目前我们可使用UV固化的环氧、丙烯酸和乙烯基酯树脂，”Tonizzo表示。丙烯酸酯适合建筑部件，因其透明且无需热固化/后固化；乙烯基酯用于船舶部件；环氧用于油气和航空航天部件。

“某些应用中，UV固化仅为初始阶段，随后仍需常规加热后固化，”Tonizzo补充道。“我们不局限于UV固化。我们已测试非UV固化聚合物，并理解高性能应用需要不同基体选项。”参考数据：其最常用的乙烯基酯树脂玻璃化转变温度（Tg）约140°C。

“我们也在研究碳纤维，但不配合UV固化树脂，”Tonizzo指出。纤维透光性和颜色均影响UV固化。“碳纤维既不透光又是黑色，这是最差组合。我们要为碳纤维作为材料开发最佳方案，而非仅采用最容易的技术。还有许多其他固化材料选项可供探索。”

Moi composites可打印连续导电纤维，实现电/热功能、传感、变形等。来源：moi composites。

Moi composites已打印高达2400 tex的连续玻纤（根据欧文斯科宁数据单丝直径最大24 μm），并测试天然纤维，还打印过玄武岩纤维。“玄武岩纤维在UV固化下表现极佳，因其半透明且呈褐色而非纯黑，”Tonizzo解释。导电纤维也可用于CFM技术，可按需布置于结构中。+LAB网站展示的项目包括镍钛纤维（形状记忆合金）。“可制造变形结构，”Tonizzo说，“例如用于释放其他纤维应力，如预应力混凝土。”

作为混合制造一环的3D打印

Atropos使用库卡机械臂，打印包络0.5×0.5×0.5米。“我们现使用Comau机器人，包络1.0×0.5×0.8米，这是第二代系统，”Tonizzo说。“也用过更大机器人配合旋转工作台，构建体积达1.5×1.5×1米，证明技术易于规模化。”

Moi正开发第三代一体化打印头，集成纤维加压系统、传感器、切割机构和铣削刀具。Tonizzo表示这将弥合3D打印与自动化铺带（AFP）的差距。“3D打印性能不及AFP，但CFM提供更大灵活性。我们已能打印0.25mm厚度的纤维，并能创建曲线、将连续纤维置于理想位置。”

SuPeRIOR下肢假肢：针对最小重量、挠度和成本优化。3D打印结构芯再经碳纤维/环氧树脂层压并真空袋固化。来源：moi composites。

“3D打印应用于其最擅长的领域，”Tonizzo说，“包括优化工作流。例如，可3D打印带有倒扣和智能纤维取向的内部芯，再采用常规手工层压覆盖表面，在高压釜或仅真空袋下固化。”他描述了一个常规模具无法制造的零件：“我们打印内部芯，再缠绕层压板在高压釜110°C、2 bar压力下固化数小时，零件成型完美。”该零件受保密协议限制，但SuPeRIOR假肢采用类似工艺，仅用真空袋固化。“所有内部结构使用一根连续玻纤，”他解释，“外层层压为手工铺设碳纤维布和环氧树脂。”整体设计在大幅降低成本和生产时间的同时，减少挠度、提高定制化程度。

基于体素的优化软件

Tonizzo解释，零件设计流程结合Autodesk基于体素的算法与moi的应力和路径优化算法，生成结构的优化纤维路径。软件也致力于选择最易制造的路径。“这是迭代过程，”Tonizzo说，“设计不像生成式设计那样全自动，仍需工程师决策。但我认为这才是正确方式——设计师与软件结合，而非单纯依赖AI。”

多材料未来与巨大市场潜力

Atropos打印螺旋桨叶片的特写图显示近似编织图案。“这虽非真正编织，但很快将实现，”Tonizzo指向+LAB网站的正弦波项目。“演示件用短纤塑料经LDM工艺打印，当时我们还是+LAB研究员。那些算法正是我们现在推进连续纤维应用的基础。”

+LAB正弦波演示：3D打印聚合物填充图案具可调弹性响应。来源：+LAB。

从+LAB网站可见，此类打印的材料创新可能性近乎无限。关键在于什么能为高需求解决方案提供最大机遇。材料供应商持续支持开发。例如，欧文斯科宁有意演示玻纤与更多基体（如陶瓷、混凝土）结合，这对建筑应用极具吸引力，结合数字化制造、节能建筑、预制模块化建设及自然/回收材料提升可持续性等趋势，均强调轻量化。“米兰理工Giulio Natta系参与欧盟项目，打印表现如混凝土的地质聚合物，”Tonizzo补充，“打印时如粘土般流动，随时间自固化。我们将持续深耕此领域，以及新聚合物和纤维。”

Moi composites也在打印地质聚合物，其行为类似混凝土。来源：+LAB。

会出售设备吗？ “会，但属未来规划，”Tonizzo说。“目前我们专注于生产零件，将技术、打印头和软件带到客户现场，按需实现零件解决方案。”他补充，过去一年与CFM早期采用者改进技术、验证多市场零件商业案例后，moi composites现寻求投资者，进一步推动CFM设备和工艺商业化规模化。