碳纖維預型件的快速成型制造省去了傳統(tǒng)手工或自動預成型工藝的多個步驟（織物切割、堆疊和預成型），最大限度地減少了設計限制（圖 1）。

圖 1：比較工藝流程：連續(xù)纖維增強復合材料的傳統(tǒng)預成型與增材預成型

由此產生的預型件可通過 RTM 用樹脂浸漬來制造熱固性復合材料，或者通過熱成型（如果配制成熱塑性復合材料）來制造熱塑性復合材料。增強織物的預成型是復合材料成型中成本最高、最具局限性的階段。這種預加工對最終成本的影響限制了復合材料應用領域的擴展。因此，自動化是這一領域的持續(xù)發(fā)展趨勢。增材預成型將自動化和數字化整合到了一個過程中。此外，一些正在開發(fā)的快速成型技術可以最大限度地優(yōu)化零件的拓撲結構和幾何復雜性。這在成本和附加值方面，以及在可能的新商業(yè)模式（定制、現場制造等）方面，都產生了巨大的競爭改進潛力。

市場和技術背景

復合材料行業(yè)幾乎遍布所有工業(yè)領域，年增長率為 5%。它是實現輕量化的關鍵因素，而輕量化是交通運輸業(yè)的主要驅動力。生產工藝的發(fā)展使得優(yōu)化生產效率和提高產品性能成為可能。

目前復材行業(yè)的主要趨勢是：

- 工藝自動化和數字化（快速成型制造），以提高產量和降低成本；非熱壓罐成型工藝（OOA），如樹脂灌注和 RTM；

- 將熱塑性塑料加工作為生產高性能復合材料的一種具有競爭力的替代工藝；

- 工業(yè) 4.0：從設計到模擬、生產模擬、問題解決和物流問題等復合材料生產過程的全面數字化。

在過去幾年中，已有多種技術（SLS、SLA、FDM、直接擠出等）可用于增強塑料零件的增材制造。熔融沉積成型（FDM）最常用于這些材料。除了打印聚合物材料和增強聚合物材料外，該技術還可用于打印短纖維（主要是碳纖維）增強聚合物，從而提高最終零件的性能，但還不足以與復合材料競爭。目前的主要挑戰(zhàn)是如何打印連續(xù)纖維增強材料，以生產出性能與傳統(tǒng)復合材料制造工藝類似的部件。這對增材制造來說是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為該技術本身缺乏壓實性，而且很難在不限制部件幾何復雜性的情況下實現適當的壓實壓力。

自 2013 年 Markforged 向市場推出第一臺能夠打印基于連續(xù)纖維聚合物結構的 3D 打印機以來，該領域的發(fā)展一直在持續(xù)。人們提出了各種進行集成和打印的方法。隨后，9TLabs 成為首家開發(fā)出制造預制件而非最終部件的增材制造工藝的公司。

ADDlCOMP 技術

為了應對這種技術和市場環(huán)境，Tecnalia 正在開發(fā) ADDICOMP 增材預成型技術，這是一種基于 FDM 技術改造的工藝。

開發(fā)工作分以下幾個階段進行：

- 開發(fā)涂有聚合物材料的 FDM 可打印連續(xù)纖維絲；

- 根據浸漬樹脂的特性調整線材的熱塑性涂層；

-在連續(xù)纖維含量非常高的情況下對線材打印工藝進行微調（65%質量分數，通過 TGA 熱重分析法測量線材）；硬件和軟件；

- 開發(fā)浸漬后工序；

- 開發(fā)應用領域。

用傳統(tǒng)方法打印預成型件，然后進行浸漬，可獲得與傳統(tǒng)預成型工藝相同的機械性能，但沒有幾何限制，而且是全數字化的。

3D打印線材發(fā)展

連續(xù)纖維3D打印的線材采用了針對電線行業(yè)進行優(yōu)化的傳統(tǒng)擠出工藝。只不過銅絲被碳纖維紗或玻璃纖維絲代替，涂層則根據制造復合材料部件所用的基體進行選擇。這樣做的目的是使基體（通常是環(huán)氧樹脂）溶解線材涂層，使碳纖維或玻璃纖維增強體裸露出來。隨后，可通過灌注、RTM 等工藝將其與樹脂適當浸漬，最終制成具有適當纖維比例的部件。

由此產生的線材總直徑為 1.77 毫米（圖 2）。其中的增強體含量高達 65%。熱塑性聚合物涂覆層是打印增強預制體的載體，因此在打印時應使用足夠的量。用于涂層的材料包括苯氧基熱塑性樹脂，因為它們可溶于環(huán)氧樹脂。

圖 2：3D 打印線材：擠出生產的線材（左），成品線材的截面細節(jié)（右）

熱塑性粘合劑的開發(fā)

熱固性基體/熱塑性粘合劑系統(tǒng)的選擇至關重要，必須保證基體對纖維的正確浸漬，減少空隙含量。因此，熱塑性涂層（聚碳酸酯或苯氧基）必須與樹脂混溶或不干擾浸漬，最好能作為熱固性基體的加硬劑，從而促進這一過程。為此，需要對系統(tǒng)的分子間相互作用進行了詳盡的分析和化學研究，包括相關的化學測試（溶解度參數、接觸角、顯微鏡、熱塑性樹脂混合物的流變特性等）。

連續(xù)纖維增強復合材料的增材預成型和生產

為了能夠打印預成型件（圖 3，左），Tecnalia 開發(fā)了 FDM 技術本身來打印線材。公司開發(fā)了一種特定的打印機，對硬件（切割機制和機械變化）和軟件（生成帶有切割點的軌跡、切割控制等）進行了修改。此外，該公司還研究了增材預成型工藝和隨后的樹脂浸漬工藝（如 RTM 或真空灌注）的最佳條件。對溫度、固化時間等工藝參數和其他因素進行了分析，以確保最終復合材料的質量。在對這些工藝進行評估和選擇后，生產出了單件 RTM 演示器（右圖 3）。

圖 3：預成型件和由此產生的熱固性復合材料部件

潛在應用領域

通過提供創(chuàng)建高度定制和優(yōu)化的三維預型件的能力，快速成型技術為各行各業(yè)帶來了新的機遇。下面介紹一些最值得關注的應用領域。

局部加固、等格網和單元結構

一方面，由于能夠以精確和局部的方式沉積碳纖維，增材預成型是在零件特定區(qū)域添加增強材料的理想選擇。這可以提高關鍵部件的強度和耐用性，尤其是在負載點或易疲勞區(qū)域。

另一方面，等格網是由一系列六邊形或三角形元素組成的網狀結構（圖 4）。這些結構以強度高、重量輕而著稱。增材預成型技術可以高效地制造等格網，因此非常適合需要低重量高強度的應用。

圖 4：添加式預成型可用于生產高強度三角形構件

集成加強筋和肋條

增材預成型允許將加強筋和肋條直接集成到預成型件中（圖 5）。這些元件可提高零件的強度和剛度，而不會顯著增加重量。在飛機機翼和航天器結構等需要高強度重量比的應用中，這些元件至關重要。

圖 5：可通過添加式預成型制造部件的不同示例

熱塑性浸漬預型件

在某些情況下，預型件可用作隨后浸漬熱固性基材的基底。這種技術結合了熱塑性塑料的易加工性和熱固性塑料的優(yōu)異機械性能，可制成高性能的復合材料（圖 6）。

圖 6：自動卷繞單元

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