余功聪
池州学院机电工程学院 安徽省池州市 247000
摘要：增材制造 (Additive manufacturing，AM) 技术，即 3D 打印技术，被誉为新兴的顺序性叠层制造工艺技术。在这几年的发展中，由于大量的引用碳纤维，正为此技术打开新路径，改善了打印结构力学性能的研究。本文主要阐述此工艺的初步应用问题进行初探，为读者了解分析相关技术的优势和存在的问题提供参考。
关键词：增材制造；聚合物基复合材料；力学性能
从1980年代开始，增材制造技术自就备受关注，由于它具有快速成型、成本低廉、外形复杂、重量较低等特点，让它在很大程度上更具节约意义，也为产品设计增加了更多的可能性，本文主要针对高性能的纤维增强聚合物复合材料在研究和工业领域的相关技术问题展开探讨，用增材制造技术代替传统纤维增强聚合物基复合材料制造技术，来解决工艺成本高、材料浪费、加工周期长、技术和设备复杂等等众多问题。
就目前来说，熔融沉积成型技术是唯一一个可以用于打印连续纤维的，用来增强聚合物复合材料的技术。因此基于这个问题，首先需要探究出聚合物基材料增材制造工艺的演变情况。
关于聚合物基材料增材制造工艺的演变，最早出现在1884年的一个商业化的增材制造技术，叫做立体光刻技术。该技术术适用于诸如光敏聚合物之类的具有高黏性的液态树脂。建造平台是将它沉浸在一个蓄有光固化树脂的容器中 (Resin bath，树脂浴)，浸没深度取决于所需叠层厚度；紫外线按照预设二维路径在这个平面上选择性固化树脂；该技术可以实现的最大制造尺寸为 1 500 mm×750 mm×550 mm。一般来说，被紫外线辐照的聚合物固化时会伴随收缩，给预先沉积层引入压应力，累积的残余应力将导致最终产品的变形。为了缓解变形问题并改善光刻产品的力学性能，研究人员在上世纪九十年代开发出了不同的扫描填充图案，并引入了更先进的材料体系(比如在环氧基或杂化聚合物中添加非反应性稀释剂，使用陶瓷颗粒增强树脂等)。
最近的几十年里，SL制造的纤维增强聚合物基复合材料也慢慢浮现在大众的视野当中，逐渐运用于生活。Cheah等通过在丙烯酸基光聚合物中增添一些玻璃短纤维，这样在缓解收缩的同时就可以将材料拉伸性能提高百分之三十左右。然而Karalekas等却发现 SL制造的环氧基树脂性能更优于含有增强相的材料。总而言之，以SL技术为代表的液体成型工艺常常需要一些额外的支撑结构和后处理，并且设备体系成本高昂，价格不尽人意。1984 年，一系列被统称为材料喷射技术的新工艺开始发展起来。不同于之前的树脂浴，该技术使用一个或多个灵活的可移动打印头将光敏聚合物液滴精确的喷射在建造平台上并采用紫外线激光束固化。尽管仍然需要额外的支撑结构，该技术由于其精确、快速、可自动切换材料等优势，成为运动产品的理想制造手段。然而，光敏树脂的自然属性限制了技术在电磁应用领域的发展。由于材料选择多样性的需求逐渐增强，1993年开始兴起了一系列基于粉末状原料的粘结喷射增材制造技术，其中包括广为人知的 3D 打印技术。该工艺通过在一层薄薄的粉末状原料上选择性喷射不同的液态粘合剂将颗粒组合成型并逐层累积；那些未粘合的原料则可以轻易剥离。由于只需要喷射粘合剂，工艺成型速率甚至可以高达 200 cm3/min (100 个喷射头)。
另外，由于不需要额外热源，粘结喷射技术通常成本较低，没有加热引入的缺陷，材料适应性较广 (理论上是用于一切可以制成粉末形态的材料)。例如，2014 年Compton等发展出一种适用于 3D 打印技术的纤维增强环氧树脂基材料。他们通过控制多种尺寸的具有高长径比纤维的排列，制造出轻质多孔复合材料结构，经过后处理后，在保证强度值(66 MPa) 相差不大的前提下，拉伸模量可以提高到现有的商业应用 3D 打印树脂材料的十倍(24 GPa)。目前，尽管这项工艺已经广泛应用于短纤维增强聚合物基复合材料的制备，但诸如粘结剂污染、产品表面质量差、孔隙率高、打印分辨率低、后处理造成烧结收缩等问题仍亟待解决。与粘结喷射技术相比，另一种基于粉末原料的工艺?粉末床熔融 (Powder bed fusion，PBF) 技术，包括选择激光烧结 (Selective laser sintering，SLS)和多射流熔融 (Multi-jet fusion，MJF) 技术?被认为是更具有制造终端应用产品的潜力。使用粉末床的增材制造技术最早起始于二十世纪七十年代，工艺中用多种具有不同波长的激光束按照预设路径烧结粉末成型，然而过程中复杂的固化行为和分子扩散局限了原材料的选择范围。过去十年间，短纤维增强热塑性树脂粉末作为 SLS 技术的原材料逐渐被发展并商业化。基于片状材料叠层成型的分层实体成型 (Laminated object manufacturing，LOM) 工艺在工业领域已被普遍应用于全尺寸模型的制造。这些可以热活化的原料片被有序切割、堆叠、粘结成型，并且具有本体支撑属性。近年来，将传统的预浸料或胶带膜应用于 LOM 工艺中制备复合材料结构的技术得到了广泛的关注。
根据上述的几种增材制造技术，这些由于机制不同，有各自适应的材料体系和原料形式。近年来，FDM 技术由于连续纤维增强相的引入而备受关注。为了评估打印结构的性能，深入了解打印复合材料在不同载荷工况下的力学响应是必不可少的。目前针对打印连续纤维增强聚合物基复合材料，力学性能的研究主要集中在以拉伸、弯曲为主的层合板准静态力学性能，研究内容通常包含了不同的材料、几何参数、打印参数及加工条件的对比，部分文献还利用了不同的数学模型和复合材料准则来评估模拟和试验结果的一致性。而涉及剪切、动态力学性能和冲击的参考文献还十分有限。除此之外，部分研究工作充分发挥 3D 打印技术的工艺灵活性，实现了二维/三维复杂结构的设计和制造，给予了 FDM 连续纤维打印技术的应用更广阔的前景。
再此简述一下关于打印单向板的拉伸和弯曲性能，单向板作为复合材料在结构中最基础的应用形式，其准静力学性能往往是研究某种新材料或者新工艺的着手点。因此，从 2016至2018 年，在将连续增强纤维引入 FDM 工艺之初，文献的研究方向主要集中在以拉伸、弯曲为主的单向板准静态力学响应。结合 3D 打印的工艺特点，以 Markforged系列为代表的打印机可以通过调节基体和纤维的填充方式制备区别于传统层合板的3D打印纤维增强聚合物基复合材料层合板。由于较高的工艺参数可设计性和工艺过程敏感性，已公开发表文献中的试验结果通常存在较大的分散性。然而依旧可以明显看出，在树脂中引入连续纤维使打印复合材料的拉伸和弯曲强度及模量远超于未增强的和短纤维增强的打印件，且性能值与纤维含量正向相关。
根据目前的研究进展可以看出，将连续纤维引入打印聚合物材料结构的方式在制造结构复杂的高性能聚合物复合材料上有广阔的发展前进。然而，打印复合材料结构的熔融堆积成型 (FDM)技术目前仍处于起始阶段，其产品的力学性能在绝大多数情况下仍与传统复合材料结构存在差距。并且存在性能各向异性、纤维基体界面结合力弱、孔隙率高、原料局限等问题，在很大程度上限制了打印产品在各领域的实际应用。综合已有的研究及存在的问题，未来优化打印的连续纤维增强聚合物复合材料力学性能可以从打印灵活性方面入手；或者选择无定形或低结晶度的半结晶高聚物基体材料及相容性较高的纤维增强相；再或者改进纤维的预浸渍工艺；也可以根据不同材料和产品需求调整过程参数，权衡打印效率、结构强度、界面结合等多方面因素等等。