当前增材制造连续碳纤维的技术正在快速发展，随着新材料、新工艺和新设备的开发，预计未来几年将实现更多的技术突破和应用扩展。根据3D科学谷的市场洞察，国内当前的研究热点涵盖了增材制造技术在复合材料连接、层间断裂韧性测试、预浸线材制备、纤维方向优化、力学性能研究、失效机制分析、蜂窝结构制造、冷却模型、加筋圆柱壳制造、翘曲变形优化以及点阵结构成型工艺方面的最新进展。
通过改进材料的制备方法、优化打印工艺参数、提高纤维与基体的结合程度、以及开发新的成型工艺，共同推动了复合材料力学性能的提升，为复合材料在高端装备领域的应用提供了技术支持。本期，
通过节选近期国内在连续碳纤维方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。
“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析
”
“碳纤维增强复合材料（CFRP）具有优异的强度和刚性，有助于提高无人机的结构稳定性和耐撞性。3D打印可以根据无人机的特定应用需求定制材料属性和结构设计，如不同的刚度、强度或重量分布。碳纤维3D打印一体成型技术在制造复杂结构的陆空两栖无人机方面具有巨大潜力。这种技术可以提供设计的灵活性、轻量化的结构、以及提高生产效率。”
图片来源：MarkForged
3D科学谷发现
3D Science Valley Discovery本期研究精华亮点
金属与CFRP穿透增强连接结构低速冲击损伤特性与结构优化
- 使用金属激光选区熔融技术制造金属突触结构，并与T300斜纹编织CFRP共固化模压成型形成穿透增强连接结构。
- 突触高度增加能有效抑制复合材料冲击分层。
- 突触特征尺寸、突触阵列密度影响复合材料内部缺陷。
增材制造CFRP-II型层间断裂韧性的缺层置换测试法及其参数化分析
- 提出了一种新型层间预制裂纹制备方法，即缺层置换法。
- 探索了打印温度、打印速度对增材制造CFRP-Ⅱ型层间断裂韧性的影响。
短-连续碳纤维同步增强热塑性复合材料预浸线材制备及3D打印工艺分析
- 提出同步增强预浸线材制备及3D打印工艺。
- 研究了预浸线材制备工艺路线、参数对其浸渍程度、纤维含量及抗拉强度的影响。
复合材料连续纤维方向及路径优化设计方法研究进展
- 介绍了纤维增强复合材料的纤维方向及路径优化设计方法。
连续碳纤维增强尼龙复合材料的3D打印研究
- 研究了挤出宽度、层厚、打印温度对打印材料拉伸性能以及弯曲性能的影响。
- 探究了退火后处理对材料力学性能的影响。
玻璃与碳纤维混杂增强复合材料3D打印与实验
- 研制了双喷头连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构增材制造平台。
- 分析了不同结构试件的弯曲力学性能与失效模式。
基于同步辐射的3D打印CCF/PEEK复合材料失效机制及缺陷分析
- 分析了拉伸/弯曲过程中碳纤维/树脂界面和层间的失效模式及机制。
3D打印连续碳纤维/聚酰亚胺蜂窝芯材及其静态压缩力学行为研究
- 以聚酰亚胺树脂为基体，以连续碳纤维为增强相3D打印出蜂窝芯材。
- 进行了静态压缩力学行为分析。
3D打印连续碳纤维复合材料冷却模型及变形研究
- 建立了冷却模型，探究了不同打印参数下复材丝温度随时间的变化。
连续纤维增强加筋圆柱壳回转3D打印工艺及其轴压性能研究
- 提出了一种基于材料挤出成形技术的加筋圆柱壳回转3D打印工艺方法。
FDM成型工艺对PEEK/CGF复合材料翘曲变形的影响
- 研究了打印过程中的热效应对连续玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料样件翘曲变形的影响。
连续纤维增强复合材料点阵结构成型工艺研究进展
- 介绍了连续纤维增强复合材料二维点阵、三维点阵结构的成型工艺。
Insights that make better life
金属与CFRP穿透增强连接结构
低速冲击损伤特性与结构优化
赵坤鹏1,2郑会龙1康振亚1张赛勒1,2董海斌1,2
1. 中国科学院工程热物理研究所2. 中国科学院大学航空宇航学院
摘要：
为提升金属与复合材料连接结构的抗冲击性能，使用金属激光选区熔融技术制造金属突触结构，并与T300斜纹编织碳纤维复合材料（CFRP）共固化模压成型形成穿透增强连接结构，通过夏比摆锤冲击试验验证突触连接结构的抗冲击性，基于CFRP损伤形式与冲击吸收功对突触形貌等影响因素进行分析优化设计，并完成有限元仿真对比计算。实验结果表明：穿透增强连接方式能够避免由于开孔带来的金属应力集中与碳纤维切断，冲击吸收功为68.54J，较于螺栓连接提升216.1%；突触高度增加能够有效抑制复合材料冲击分层，突触特征尺寸、突触阵列密度影响复合材料内部缺陷，其冲击吸收功随着突触特征尺寸、突触阵列密度的增大先增加后减少；基于突触特征尺寸变化进行有限元仿真，仿真值与试验结果偏差小于17%，损伤形式基本一致。
增材制造CFRP-II型层间断裂韧性的
缺层置换测试法及其参数化分析
赵煜1熊家豪1药天运2,3贾梦怡1胡海洋1杨冰晨1
1.长安大学公路学院2. 长安大学建筑工程学院3. 西安桥邦工程检测有限公司
摘要：
为实现增材制造碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer-CFRP)Ⅱ型层间断裂韧性的测试分析，并量化打印参数对Ⅱ型层间断裂韧性的影响规律，推进增材制造CFRP技术在桥梁结构中的应用，本文分别从试验及仿真分析两方面展开了相关研究。首先，对打印工艺进行优化并提出了一种新型层间预制裂纹制备方法，即缺层置换法，并利用该方法探索了两类关键打印参数(打印温度、打印速度)对增材制造CFRP-Ⅱ型层间断裂韧性的影响规律。其次，基于内聚区理论建立了不同打印工况下预制裂纹试件端部缺口梁三点弯曲(End notched flexure-ENF)试验的仿真模型，并完成了仿真结果与试验数据的对比分析。结果表明：两类关键打印参数对增材制造CFRP-Ⅱ型层间断裂韧性的影响明显，且打印温度的影响更强。当打印温度从245℃提升至285℃，试验荷载峰值的变化幅度范围为18%～27%，层间断裂韧性的变化幅度范围为14%～32%；当打印速度从20 mm/s提升至60 mm/s，试验荷载峰值的变化幅度范围为4%～31%，层间断裂韧性的变化幅度范围为4%～16%。同时，仿真结果与试验数据的相对误差均控制在10%以内，表明本次所获试验数据合理且稳定，故缺层置换法可用于制备增材制造CFRP预制裂纹试件，且传统工艺复合材料仿真方法同样适用于增材制造CFRP的仿真分析。因此，本研究可为后续增材制造CFRP桥梁结构层间力学性能的量化分析提供技术支撑。
短-连续碳纤维同步增强热塑性
复合材料预浸线材制备及3D打印工艺分析
王福吉1,2王公硕1,2王洪全1,2付饶1,2吴博2王琦1,2
1.大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室2. 大连理工大学辽宁省先进复合材料高性能制造重点实验室
摘要：
碳纤维增强热塑性复合材料3D打印技术，是实现先进复合材料复杂结构件一体化制造的有效途径。由于短纤维不连续、连续纤维间基体的载荷传递能力弱，3D打印短或连续碳纤维等单一形态纤维增强热塑性复合材料的力学性能提升进入瓶颈期。发展短-连续碳纤维同步增强热塑性复合材料(Short-continuouscarbonfibersynchronousreinforcedthermoplastic composites, S/C-CFRTP) 3D打印技术，是突破复合材料复杂结构件高质量制造技术瓶颈的重要途径。然而，由于含短纤维的基体熔融黏度大、3D打印温压时变性强，现有原位浸渍工艺难以保证基体对连续纤维的充分浸渍，导致3D打印S/C-CFRTP力学性能较差，无法满足工程应用需求。提高纤维-基体浸渍程度是实现S/C-CFRTP高质量3D打印的关键。基于离线浸渍方法，提出同步增强预浸线材制备及3D打印工艺。研究了同步增强预浸线材制备工艺路线、参数对其浸渍程度、纤维含量及抗拉强度的影响，提出了“混合-浸渍-定形”工艺路线、“小制丝速度-大出口直径”工艺参数的预浸线材高质量制造策略，其抗拉强度达448.70 MPa。同时，通过对比不同打印工艺成形样件的空隙、纤维含量和抗拉性能，发现预浸线材挤出工艺将S/C-CFRTP的空隙率降低近一半，纤维含量提高约7%，抗拉强度和模量提升约18.6%和11.6%，达约430.45 MPa和38.51 GPa。
复合材料连续纤维方向
及路径优化设计方法研究进展
李贵兴1,2陈园1,2叶林1,2
1.深圳市连续碳纤维复合材料智能制造重点实验室(南方科技大学)2. 南方科技大学系统设计与智能制造学院
摘要：
连续纤维增强复合材料因其优异的比刚度、比强度等特性，在航空航天、国防军工、医疗器件等高端装备领域得到了广泛的关注和应用。其中，纤维方向对连续纤维增强复合材料的力学性能有着重要影响，但是由于常规制造工艺的局限，纤维路径通常沿0°、45°、90°等规律一致的方向来设定，连续纤维增强复合材料的优势无法被充分利用。如今，3D打印技术促进了制造具有复杂曲线纤维路径复合材料的发展，其对应的纤维方向及路径优化设计方法正逐步引起国内外专家学者的重点关注。本文围绕纤维增强复合材料的纤维方向及路径优化设计方法，介绍了正交各向异性材料方向优化理论，回顾了纤维角度优化方法，总结了现有纤维路径规划算法，探讨了相关前沿问题并做出了未来展望。本文为高性能连续纤维增强复合材料的优化设计和制造提供了重要信息，有助于推动高性能连续纤维增强复合材料的快速发展和广泛应用。
连续碳纤维增强尼龙
复合材料的3D打印研究
冯嘉伟1费国霞1夏和生1王占华1余文柏2
1.四川大学高分子研究所,高分子材料工程国家重点实验室2. 重庆大学建筑规划设计研究总院有限公司
摘要：
连续碳纤维增强复合材料具有高强度、刚性、耐磨、耐高温和轻量化等优点，适用于需要高性能且轻量化的领域。将三维(3D)打印技术用于制备连续碳纤维增强复合材料则具有更高效、低成本、高材料利用率和灵活生产等优势。本文开展了连续碳纤维增强尼龙复合材料的3D打印研究，研究了挤出宽度、层厚、打印温度对打印材料拉伸性能以及弯曲性能的影响，并探究了退火后处理对材料力学性能的影响。使用扫描电子显微镜(SEM)观察了3D打印样品的切割横截面和拉伸断裂失效横截面，在不同工艺参数条件下，分析和讨论了打印样品和后处理打印样品的内部结构和力学性能之间的关系。结果表明，当挤出宽度为0.65 mm时打印样品力学性能最佳，拉伸强度和拉伸模量为501.51 MPa和31.70 GPa,弯曲强度和弯曲模量为164.53 MPa和31.91 GPa;当层厚为0.1 mm时打印样品力学性能最佳，拉伸强度和拉伸模量为520.78 MPa和36.59 GPa,弯曲强度和弯曲模量为168.43 MPa和32.31 GPa,之后力学性能随着层厚的增加而减小。打印温度对打印样品的力学影响较小。退火后处理对打印样品的力学性能具有一定的优化效果，拉伸强度提升效果有3.07%,弯曲强度提升了51.27%。
玻璃与碳纤维混杂增强
复合材料3D打印与实验
栾丛丛、牛成成、林志伟、钱俊、傅建中
浙江大学机械工程学院
摘要：
本研究基于热塑性材料熔融沉积成型工艺，研制了双喷头连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构增材制造平台，制备了不同混杂比的纤维增强热塑性复合材料结构试件，分析了不同结构试件的弯曲力学性能与失效模式，探索了嵌入碳纤维智能层的混杂纤维增强热塑性复合材料的力阻行为。结果表明：比较纯热塑性材料结构件，玻璃纤维增强复合材料结构件弯曲强度提高了115.99%,碳纤维增强复合材料结构件弯曲强度提高了198.76%;玻璃纤维与碳纤维混杂增强复合材料结构件具有负弯曲强度混杂效应和正弯曲模量混杂效应。可根据碳纤维电阻相对变化率对混杂增强复合材料结构的应变与断裂破坏状态进行实时自感知。研究结果为连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构件的高质高效制造与智能化提供了新工艺与新思路。
基于同步辐射的3D打印
CCF/PEEK复合材料失效机制及缺陷分析
吴若涵1康友伟2田小永2刘腾飞2刘铮铮1
1.华中科技大学电气与电子工程学院2. 西安交通大学机械工程学院
摘要：
针对丝材预浸渍处理的连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（CCF/PEEK），采用同步辐射μCT表征手段，分析了拉伸/弯曲过程中碳纤维/树脂界面和层间的失效模式及机制，结合缺陷和拉伸力学性能分析，揭示了预浸渍处理对CCF/PEEK材料结构和力学性能的影响。研究结果表明：由于不良浸渍及层间温度梯度，预浸渍样品在纤维/树脂界面和层间均存在缺陷，并随拉伸/弯曲载荷作用演变为层间裂纹，原丝样品则发生纤维脱粘和拔出；预浸渍处理后试样平均拉伸强度提高17.21%，孔隙率降低56.6%，树脂充分渗入纤维丝束，明显改善了材料纤维/树脂界面结合和力学性能。
3D打印连续碳纤维/聚酰亚胺
蜂窝芯材及其静态压缩力学行为研究
干腾海、周东鹏、刘长威
黑龙江省科学院石油化学研究院
摘要：
近年来，随着国内外航空航天事业不断的发展，对飞行装置材料的轻量化、耐高温性和力学性能等要求越来越高，3D打印制备轻质结构复合材料也开始引起科研界的极大关注。在此背景下，以耐温等级高的聚酰亚胺（PI）树脂作为基体，以连续碳纤维（CF）作为增强相3D打印出蜂窝芯材，通过3D打印技术制备出3种不同铺层方式的CF/PI蜂窝结构，进行了静态压缩力学行为分析。结果表明，3种不同叠层方式的CF/PI蜂窝结构的抗压强度由大到小排序为：CF/PI-1蜂窝>CF/PI-2蜂窝>CF/PI-3蜂窝，说明芯材内部的连续碳纤维含量越高，整体的抗压承载能力越强。密度为0.335 g/cm3蜂窝最高的抗压强度可达50.20 MPa，该蜂窝芯材在200℃、300℃下的抗压强度相比室温的压缩强度分别下降28%、44%，说明打印出的蜂窝具有较好的耐热机械性能。对比了实验制备的CF/PI蜂窝与纯PI蜂窝压缩性能，在25℃、300℃下的压缩环境下，同一密度的CF/PI方形蜂窝压缩破坏强度为纯PI蜂窝芯材压缩破坏强度的2倍，且破坏形式存在明显差异，这归因于CF/PI蜂窝树脂层遭到破坏后，连续碳纤维起到力学传递、增强的作用，使得制备出的蜂窝芯材兼具耐高温、抗压缩的良好性能。
3D打印连续碳纤维复合材料
冷却模型及变形研究
董传贺1孙晓宇2李旺鑫1贾睿昊1赵欣3
济南国科医工科技发展有限公司2. 哈尔滨理工大学荣成学院3. 济南广康医疗器械有限公司
摘要：
为探究3D打印连续碳纤维复合材料（continuous carbon fiber reinforced composites， C-CFRP）动态冷却行为以及翘曲变形行为，本文首先针对3D打印C-CFRP复材丝，建立了虑及材料物性及打印参数的冷却模型，采用热电偶、热成像仪监测了不同打印参数下复材丝温度随时间的变化，并与冷却模型计算值进行了验证，误差最小为11%。然后针对3D打印C-CFRP薄片件，探究了不同打印参数及尺寸对翘曲的影响，并分别采用热电偶、三坐标测量仪进行了成型过程温度动态变化以及翘曲度的测试。结果表明，挤出丝材高于玻璃化温度时间与打印温度、层厚呈正相关，与打印速度呈负相关；C-CFRP薄片件的翘曲度与层厚、长度呈正相关，与打印温度、打印速度呈负相关；本文为高精度C-CFRP 3D 打印技术的发展提供了参考。
连续纤维增强加筋圆柱壳回转
3D打印工艺及其轴压性能研究
刘明良1唐颀2田小永1刘腾飞1秦滢杰1李涤尘1
1. 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室2. 北京宇航系统工程研究所
摘要：
复合材料加筋圆柱壳是一种先进飞行器典型结构，通常采用纤维缠绕工艺制作而成，对模具依赖程度较高，开发周期较长，不利于产品的快速迭代和低成本制造，针对传统成形工艺的不足，结合增材制造低成本快速制造的优势，分析了加筋圆柱壳3D打印技术研究的发展现状，提出了一种基于材料挤出成形技术的加筋圆柱壳回转3D打印工艺方法，开发了回转3D打印工艺装备，设计了针对连续纤维增强复合材料加筋圆柱壳的网格结构与打印路径，回转打印连续碳纤维增强聚乳酸加筋圆柱壳轴压临界载荷和载荷质量比分别达到71 459 N和578.29 N·g-1，同等结构参数下，探究矩形、三角形、菱形网格形状筋条的轴压性能，结果表明菱形网格加筋圆柱壳轴压力学性能最优。
FDM成型工艺对PEEK/CGF
复合材料翘曲变形的影响
李久振1战丽2李莞1李云鹏1袁勇超1
1.中国机械总院集团青岛分院有限公司 2. 中国机械总院集团北京机电研究所有限公司
摘要：
为降低连续玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料增材制造样件的翘曲变形，优化增材制造基础工艺参数，通过单因素试验、Plackett-Burman Design试验与Box-Behnken Design试验，研究了打印过程中的热效应，即保温舱温度、层厚、成型平台温度、打印速度等工艺参数对连续玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料样件翘曲变形的影响规律，得出如下结论：研究发现打印工艺对翘曲度的影响程度是不同的，影响程度依次为B (层厚)> C (成型平台温度)> A (保温舱温度)。研究发现打印工艺参数之间是会对翘曲变形产生交互作用的，并且影响程度也较为显著(PB析因试验中大于t值)，即B> C> A> AB> BC> D (打印速度)> BD。研究发现喷头温度440℃，成型平台温度100℃，保温舱温度90℃，层厚0.3 mm，道间距为0.5 mm，打印速度2 mm/s时，翘曲度可达到0.23%。
连续纤维增强复合材料
点阵结构成型工艺研究进展
冉旭东1,2黄树海1张鹏2韩振宇2周少兰1陈强1
1.西南技术工程研究所2. 哈尔滨工业大学机电工程学院
摘要：
连续纤维增强复合材料(Continuous fiber reinforced polymer composite, CFRP)具有比刚度与比强度高等优势，在航空航天、汽车电子及国防军工等领域得到了广泛的应用和关注。其中，复合材料点阵结构具有极高的结构效率，被广泛使用在轻质夹层结构中，发挥承载结构载荷的关键作用，但是因其结构复杂，大规模一体化制造轻质点阵仍是困扰科研人员的技术难题。本课题介绍了连续纤维增强复合材料二维点阵、三维点阵结构的成型工艺，重点分析了不同点阵结构的成型工艺流程、工艺特点及结构破坏形式，综合对比各成型工艺优势与不足，对连续纤维增强复合材料点阵结构成型工艺进一步发展进行了展望。
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