推进3D打印：连续纤维增强复合材料增材制造

CW自2014年起报道连续纤维增强3D打印复合材料，始于MarkForged在SolidWorks World大会（2014年1月26-29日）发布Mark One打印机。随后跟踪Arevo利用机械臂开发多轴打印，实现连续纤维Z向及轮廓铺放。今年报道Orbital Composites与复合技术中心合作打印连续纤维复合材料。

然而，一家公司自2012年起即从事连续复合材料打印。CW实在2017年1月刊发过Continuous Composites（美国爱达荷库尔达伦）短文，但其成就值得深度探讨：

• 用任意连续纤维三维打印，含芳纶、玻纤（GF）、碳纤维（CF）、铜、镍铬导线和光纤。
• 用UV固化热固性树脂实现高速打印及悬空无支撑打印。
• 实现无模具、非热压罐复合制造和载荷路径优化
• 2017年AutoDesk University演示3D打印、多材料（切碎CF/ABS外壳、连续GF/环氧桁架框架）舵，含打印光纤可感知并通讯温度、压力、加速度和电导率变化。

所有图片来源：Continuous Composites

CF3D

 "我们将复合材料威力与先进机器人3D打印工艺结合，"Continuous Composites CEO Tyler Alvarado说。公司将其连续纤维3D打印商标为CF3D。"CF3D在打印头内浸渍纤维，材料沉积后即时固化，"他解释。"我们不受限于2D切片打印，可离散控制纤维各向取向，充分发挥复合材料各向异性优势。"

Alvarado指出还可按客户应用调节热固性树脂，如提高模量、韧性或阻燃性。CF3D也适配热塑性树脂，Continuous Composites已演示同一结构内同时打印热固性和热塑性材料。

"实现50-60%纤维体积含量，"Alvarado说，并指出打印头已集成可变压实功能。"自由空间打印结构时，首层无支撑，因无对压对象需压力极小；后续层可施压实现压实。"

2016-2017年，Continuous Composites建成机器人制造单元，提升运动控制和构建体积。如所有3D打印，软件生成机器运动代码。但CF3D刀具路径生成截然不同，公司自研软件。"现成方案不适用连续纤维刀具路径生成，因我们不再局限于堆叠2D切片，"Alvarado解释。CF3D软件还自动控制UV固化灯、必要时切割打印丝及压实压力。

"新打印头活跃度大幅提升，"Alvarado说。"新末端执行器具备自适应张力控制和树脂输送动态控制。"

Alvarado称CF3D可用12K碳纤维束和环氧树脂打印16股宽。产出三层样品孔隙率<1%，平均拉伸强度111 ksi（约765 MPa）。此机械测试为2017年美国国防部承包商项目。"持续改进，预期soon超200 ksi，"Alvarado断言。"也完成航空航天内饰应用的火烟毒（FST）测试。"

感知结构

CF3D技术助力打印多功能复合结构。如：连续铜线打印供电电子，连续镍铬线嵌入防冰加热，连续光纤实现复合结构实时结构健康监测（SHM）和性能优化。

Continuous Composites 2017年打印上图演示翼型，含：

• 连续玻纤支撑桁架从翼型顶部无支撑打印至底部。
• 连续铜线供电前缘LED灯。
• 镍铬线用于前缘防冰。
• 上蒙皮光纤可采集数据。

2017年11月，Continuous Composites、Form Forge（美国俄勒冈波特兰）和AutoDesk合作产出感知复合舵，作为AutoDesk University年度大会"Making Waves"展与Livrea Yacht（意大利巴勒莫）联展展品。

舵高约4.5英尺，20%切碎碳纤维增强ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）热塑性外壳/蒙皮，连续玻纤结构桁架支撑。团队还打印入先进光纤。

成品舵现场展示。"让观众触摸，舵传感器两天采集5 GB数据，追踪温度、加速度和应力变化，"Alvarado回忆。"嵌入此功能可采集分析结构性能，实现实时健康监测和性能优化。"

设想一下，竞赛游艇的舵和水翼现可将实测数据反馈至计算流体动力学（CFD）分析和设计软件，智能优化单体结构设计和整艇性能。当然，舵和水翼也可为飞机或汽车结构。

"我们要展示CF3D技术结合多材料和多增材制造模式在单单元内一体化能力，"Alvarado说。他指出调节热固性树脂粘接切碎纤维/ABS的灵活性也获验证。

制造业的未来

Continuous Composites对CF3D未来愿景大胆。视其为赋能本地制造、美国制造业复兴的技术，也通向更可持续生产工艺。"我们技术解决传统复合制造诸多痛点，"Alvarado说。"自动化实现全方位铺纤，开拓设计可能，消除昂贵模具、热压罐和烘箱需求。"去除这些约束后，CF3D可单一制造流程整合多部件为单件并嵌入功能。"我们技术是新兴制造方法，将颠覆多行业。"

Alvarado称Continuous Composites与多类公司合作构建技术生态系统，含OEM、设备商、机器人集成商、材料商和软件商。"拥有7项授权专利，76项非临时专利申请在审，另11项临时专利申请在审，覆盖250余项专利及专利在审概念。持续开发技术并寻求跨全行业部署，含航空航天、汽车、国防、建筑等。"