摘　要

　　當我們進入一個燃料效率和變暖的時代時，能源已成為一個關鍵的挑戰。復合材料由于其低重量和低維護，起到了更重要的作用。然而，制造復合材料結構件經常要求非常昂貴的模具并涉及大量的勞動力。

　　增材制造(AM，如使用直接3D CAD數據進行3D打印)能夠快速具成本效益的生產，減少材料用量和部件數量，并縮短設計周期。這種先進性主要是由于新開發熱塑性材料和AM工藝，不僅適用于原型而且適用于功能性產品和模具。
　　我們現在能增材制造復合材料并獲得復合材料和AM的特點嗎?作為一個例子，圖1展示了復合材料在一個飛機發動機風扇葉片應用中可能采用的增材制造。增材制造被用于生產復雜的復合材料模具，同時通過直接金屬激光沉積生產一種保護復合材料風扇葉片的金屬前緣。

　　本文介紹達到兩種特點的復合材料增材制造的研發項目。

1　用于復合材料結構件的模具

　　目前復合材料制造總成本的大部分一般是由工裝和模具構成，它們包括昂貴和復雜的加工。為了滿足設計要求，也需要技術熟練的工人和較長的研制周期。

　　工裝和模具可以在一個自動化工藝中直接用AM中所采用的CAD文件進行制造，提供更短的研制周期、更低的成本和更高的精度。已確認在先進的AM技術中，熔融沉積成型(FDM)能夠快速具成本效益地生產復合材料用模具，特別是針對復雜部件。適用于聚合物增強復合材料用耐高溫模具的FDM熱塑性塑料已被開發出來。例如，ULTEM9085是一種高性能熱塑性塑料(見表1)，專用于商業運輸業，特別是航空、航海和地面車輛。與3D生產系統相結合，ULTEM9085使設計和制造工程師們可以生產全功能部件，適用于先進的功能原型或終端應用，沒有傳統模具的成本和研制周期。

　　可是，熱塑性塑料如ULTEM9085的熱膨脹系數(CTE)比傳統鋁制模具高2.5倍左右，它對于部件的終成形至關重要。應該使用計算機輔助工程(CAE)軟件分析這類成品模具的熱性能和機械性能。為了增加模具的耐用性，AM可被用于制造原型，然后用原型制造模具。

2　碳纖維增強熱塑性塑料用于選擇性激光燒結

　　使用增材制造制備的產品超過原型。它們為航空航天和汽車工業中所要求實際應用提供高剛度和高強度。采用增材制造工藝如選擇性激光燒結(SLS)和立體平面印刷術開發的原型已經并還會被用于產品設計和開發過程中，以檢查不同程度的形狀、匹配和功能。但直到近，所用的原型材料可制備足以進行測試但還不適合于終使用的原型。采用先進的材料和通用的增材制造技術以及特殊的SLS，可以生產全功能性的成品部件。一系列選擇性激光燒結材料(如金屬和玻纖或碳纖增強塑料)被設計成滿足大量的國防、航空航天、醫用、工業和消費品應用。
　　但是，由于在每層中的纖維取向，終的機械性能在三個方向上是不同的，剛度在2~8GPa，強度在30~80MPa。垂直于層平面的方向(z方向)顯示低的性能。材料混合比和燒結層方向對成品機械性能的影響可以用CAE工具進行分析：集成CAD、CAE和AM使大化機械性能和獲得一個有競爭力的制造過程成為可能。
　　要進一步增強增材制造結構件的強度和剛度，熱塑性塑料(如聚合物基體聚酰胺)可以用納米復合材料或碳原絲纖維增強。為了建立一個文件格式，在CAD系統和打印機之間傳遞準確的材料內容信息，標準和測試研究院已開展了一個升級傳統STI。代碼的項目。

　　要使產品重量更輕、強度更大，并更具競爭力，工業界在設計和制造過程中需要對復合材料強度和疲勞壽命有一個更準確、更實際和更可靠的預測。在現有的方法中，以細觀力學為基礎的纖維增強復合材料應力和疲勞分析是估計真實載荷條件下結構剛度、強度和疲勞壽命，以及研究纖維含量和鋪層方向對成品影響的非常有效率的方法。

3　機器人輔助連續纖維鋪放或帶鋪層制造

　　復合材料的自動化制造也可以被歸納為“增材制造”，因為在自動帶鋪層(ATL)或自動纖維鋪放(AFP)中，纖維被加入或鋪層到配置模具上。與AM相似，AFP／ATL程序軟件也讀取CAD表面和層邊界信息，并根據用戶規定的制造標準和要求，增加材料。根據結構外形的復雜度和尺寸，使用具有所需動作軸的機器人，并基于CAD和鋪層順序編程。
　　在AFP／ATL中，常規纖維絲束和單向帶被喂入機器人手臂，動作可以是非常復雜，取決于配置和鋪層次序。使用新開發的多向帶(C-層來自Chomarat)，機器人的動作可以大幅簡化，且材料用量可以減少。根據鋪層結構的尺寸和鋪層次序，用戶可以規定層的厚度和多向帶的寬帶，影響成品的機械性能。近，已有可能為管道和曲面結構快速固結熱塑性塑料。熱塑性復合材料的快速固結對于復合材料先進AM預期將成為一種重要的技術。多向帶還可以被用在纖維增強熱塑性復合材料激光輔助加工中。
　　新的分裂3D路徑替代用于當前AM中的切片2D數據，它們可以被開發用于放置纖維、樹脂和第三種可能的支撐材料。這種方法可以取消金屬激光沉積中所提到的模具，導致減少材料廢料，縮短設計周期和大幅降低部件數量。

4　蜂窩數字材料

　　聯鎖蜂窩數字材料已被提出作為一種制造大型復合材料結構件的增材制造技術。蜂窩材料由復合材料構成，根據需要組裝、拆卸和重組裝。

　　理論上，每密度的終剛度和強度會比傳統的復合材料結構件高10倍。這種使用組裝制造而不是鋪層或打印的方法是真正的分裂型。