以下文章來源於碳纖維及其復合材料技術 ，作者錢 鑫 博士
增材製造為碳纖維增強聚合物（carbon fiber-reinforced polymers ，CFRP）的發展帶來了新的革命性潛力。CFRP的增材製造結合了增材製造的優勢，如可定製、損耗最小、低成本、快速成型和碳纖維高比強度的快速製造。
本期谷.專欄文章將對短碳纖維和連續碳纖維增強復合材料的增材製造進行了全面綜述，詳細介紹不同類型的增材製造技術，概述了商業上可用於製造短纖維及連續CFRP的方法，而且涉及CFRP增材製造在生物醫學、電子和航空航天領域等領域的潛在應用。
目前用於CFRP復合材料的領先增材製造技術主要包括熔融沉積建模（fused deposition modeling，FDM）、選擇性雷射燒結（selective laser sintering，SLS）和立體光刻，本期文章主要介紹了FDM 3D列印工藝的技術細節。
3D科學谷
FDM是最常用的技術，因為材料更換容易，且具有低成本和最小程度的浪費。與連續CFRP相比，短CFRP的FDM 3D列印技術相對成熟，並已經得到了廣泛的研究。大量研究已經分析了纖維類型、纖維長度、纖維重量百分比、基體類型和列印參數等對FDM 3D列印短切CFRP的機械性能的影響。
下圖顯示了用於短CFRP的FDM工作原理。FDM系統的主要部件，如進絲裝置、加熱器、滾筒和成型表面，與傳統的聚合物3D列印技術相似。短CFRP的列印程序與聚合物列印方法也十分相似。短CFRP的預浸漬細絲熔融後逐層沉積在構建平台上。許多商業供應商如Markforge、3DX和Stratasys，以預浸漬長絲的形式提供短碳纖維增強聚合物。短CFRP預浸漬長絲中的纖維和熱塑性塑料之間有很強的粘附性，但纖維與基體的比例是固定的。這限制了短CFRP FDM零件在低強度承載結構中的應用。
連續CFRP的FDM有兩種不同的方法，主要包括原位熔融技術和非原位預浸技術。
在前一種方法中，碳纖維和熱塑性塑料作為兩個獨立的輸入同時指向擠出噴嘴，允許用戶獲得可變量的熱塑性材料。因此，根據應用目標，任何所需的纖維體積含量都是可以實現的。然而，由於停留時間短，聚合物和纖維之間的介面結合較差，會降低原位熔融的機械性能。
與原位熔融相反，碳纖維和聚合物在3D列印前結合，形成用於非原位預浸料的預浸長絲。該預浸料與聚合物長絲一起使用雙重擠出裝置同時擠出。這種雙重擠壓提供了增強特定層的自由度，從而可以實現產品某些區域的定製增強。
近年來，許多研究人員採用FDM 3D列印技術來分析增材製造的短連續CFRP的力學行為。研究人員根據短碳纖維增強正交預成型件的拓撲結構分析了FDM列印件的結構一致性，結果顯示：短碳纖維的引入導致了粗糙的表面和較差的層間粘合。部分研究人員已經成功地將FDM技術應用於列印連續玻璃纖維和碳纖維聚合物復合材料，而微觀結構特徵、拉伸和壓縮性能表明，該方法用於列印連續增強聚合物復合材料是可行的，而且FDM 3D列印結構的拉伸強度和壓縮強度與注塑件相似。
科研人員使用FDM 3D列印技術分析了兩種市售的用於短時間CFRP列印的材料，以Onyx（具有短切碳纖維的尼龍基長絲）和碳纖維長絲（具有連續碳纖維的錦綸基長絲）作為研究對象，結果表明，由於連續增強，碳纖維長絲比Onyx表現出更好的機械性能，而Onyx的填充方式和填充密度也對零件強度產生了顯著影響。
目前，有關FDM列印零件的微觀結構分析、分層和表面粗糙度正在進行深入研究。對於短CFRP和連續CFRP的FDM，兩者在提高基體機械強度方面都具有優勢，但這些增強材料的加入也會在幾何和列印約束方面產生一定的限制。
在CFRP的FDM列印過程中，許多參數至關重要，主要包括溫度控制、氣隙、焊頭寬度和光柵方向。這些參數的優化選擇對CFRP列印零件的強度至關重要。在大多數研究中，僅對CFRP的FDM技術進行了簡化分析，比如只評估一個或兩個變量的影響，由於增材製造方法的固有複雜性，並沒有考慮所有相關參數。
因此，後續在多參數對列印過程及結構件性能影響上仍然需要更多的基礎研究工作，只有掌握了涉及FDM工藝的更多基礎知識，才能更好地利用這一技術並將其商業化。