复合材料3D打印：蓄势待发的产业级颠覆性技术

复合材料3D打印虽处新兴期，蕴藏巨大未开发潜力。

据SmarTech Analysis报告，复合材料3D打印市场未来十年预计达近100亿美元——重大增长机遇。

本文考察推动复合材料3D打印前进的优势、市场就绪技术、真实应用。

何为复合材料？

复合材料结合核心聚合物基体与增强材料，如短切纤维或连续纤维。所得材料较未增强聚合物提供更优强度刚度，许多情况下可替代铝等金属。

这些增强性能使复合材料跨航天、汽车、工业品、油气等领域备受追捧，用于工装和终端部件。

复合材料3D打印优势

传统复合材料制造常需手工铺层、昂贵固化设备、模具工装——使过程劳动密集、资本密集、难规模化。3D打印软件驱动自动化全流程，仅后处理需最少人工干预。

关键优势含：减少材料浪费、缩短交期、创造常规方法无法实现的复杂几何形状能力。

连续纤维与短切纤维

3D打印用两类纤维增强：短切纤维——长度<1毫米小股——混入聚合物，连续纤维——长股与PLA、ABS、尼龙、PETG、PEEK等热塑性塑料集成。连续纤维件轻量却媲美金属强度。

碳纤维最流行增强材料，随后玻璃纤维和凯夫拉。

市场就绪复合材料3D打印技术

2020年市场仍新兴，以熔丝制造(FFF)系统主导，挤出热塑性丝材。FFF用硬化钢喷嘴处理短切纤维丝材，连续纤维打印需第二喷嘴沉积连续纤维股。

Markforged：连续纤维打印先驱

Markforged 2014年推Mark One引入连续纤维3D打印。打印机用双喷嘴——一喷塑料丝材、一喷碳纤维股。虽新机型继任Mark One，核心技术不变。

今日Markforged提供桌面至工业系列打印机，擅长功能原型和终端部件工装制造。

Desktop Metal微自动化纤维铺放(μAFP)技术

Desktop Metal以FFF专长拓展复合材料，2019年11月推Fiber 3D打印机。融合自动化纤维铺放(AFP)与FFF，Fiber系统将连续纤维嵌入尼龙、PEEK、PEKK、玻纤增强尼龙。

μAFP法减少对手工铺层依赖，降低人工成本、加速小型复合件生产，如夹治具、轻量赛车部件。

Anisoprint复合纤维共挤(CFC)技术

俄卢初创Anisoprint引入复合纤维共挤(CFC)——挤出基工艺，打印中直接用连续纤维增强塑料，无预层压。用户可选PETG、ABS、PC、PLA、尼龙，调整复合填充密度。

Anisoprint桌面Composer 3D打印机后推工业级ProM IS 500，四可换打印头支持多材料多复合件。

复合材料3D打印遇上机器人

机器人融合复合打印增强构建包络灵活性和几何复杂度。Arevo例用激光基预浸连续碳纤维沉积，激光加热、滚轮压实——镜像金属打印定向能量沉积。

沉积头装载多轴机械臂，实现任意朝向分层沉积，消除常规层叠打印机典型Z向弱点。

Continuous Composites

美Continuous Composites用七轴机器人送干碳纤维入打印头，快速固化光聚合树脂浸渍，中空固化实现免支撑构建。

Fortify：面向复合材料的数字光处理

Fortify数字复合制造(DCM)技术将数字光处理(DLP)改造用于复合件。磁场在光敏树脂中定向排列短切碳纤维，生产三维可控强度、刚度、热导率高分辨率复合材料。

Fortify聚焦工装，融资A轮1000万美元后与Royal DSM和Henkel合作。商业化推出明年。

Impossible Objects与复合基增材制造(CBAM)

Impossible Objects引入CBAM，碳纤维片材喷墨打印液体粘结剂，覆盖聚合物粉末仅粘附打印区。反复分层后堆叠压缩加热熔融粉末成增强复合材料。

CBAM-2打印机2019年发布，可处理12×12英寸(≈30×30厘米)片材，现支持PEEK、尼龙12、长纤维碳或玻璃。更多材料开发中。

复合材料3D打印应用

复合材料3D打印跨原型、工装、终端部件多领域。

航天大型叶片工装

贝尔直升机联合Thermwood大规模增材制造(LSAM)系统生产6米复合工装用于直升机叶片模具。LSAM混合增材-减材法实现快速生产、严公差、高压釜就绪性能，将工装制造时间从月缩至天。

复合材料起吊工具

Wärtsilä以Markforged X7打印75%更轻碳纤增强聚合物工具替代重钢起吊工具。工具起吊960公斤，转换节省€100,000工装成本。

碳纤维车架

Arevo机器人打印工艺创建三维均匀强度车架，解决传统丝材打印各向异性。车架成本约$300——大幅低于传统碳架$1,000-$2,000。

复合材料3D打印：突破制造极限

虽仍年轻，复合材料3D打印在制造业获关注，提供复杂复合件更快更自动化生产。让设计师以高性能、高性价比复合材料替代金属，降低材料人工成本同时保持强度耐久。

这些优势定位复合材料3D打印成现代复合材料制造商武器库标准工具。