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随着航空航天、能源输送等高端应用场景对材料性能和服役稳定性的要求不断提高，连续纤维增强热塑性复合材料 3D 打印技术因其轻量化、复杂结构、功能性集成等优势而受到广泛关注。该技术能够生产具有高纤维体积分数、复杂几何形状和功能集成的复合材料部件，为材料设计、结构优化和功能实现提供了新的途径。然而，现有技术存在高性能丝材加工性差、打印缺陷难以消除、过程控制难度大等问题，限制了其在高端应用领域的应用。迫切需要开发新的打印工艺、材料体系和缺陷控制方法，以提高材料的性能和可靠性，推动其在高端应用领域的应用。
近日，《Composites Part B》期刊发表了一篇由北京航空航天大学、西安交通大学、青岛理工大学、东京理科大学、日本大学、俄罗斯科学院机械工程研究所和深圳市3D打印制造创新中心的研究团队完成的有关高性能连续纤维增强热塑性复合材料 3D 打印过程缺陷及其消除方法的研究成果。该文章系统分析了高性能连续纤维增强热塑性复合材料 3D 打印过程中产生的各种缺陷，并探讨了其生成机理、对材料性能的影响以及可能的消除措施，为推动高性能 3D 打印技术的发展提供了重要的理论指导。题为“Three-dimensional printing of high-performance continuous fiber-reinforced thermoplastic composites: Causes and elimination of process-induced defects”。
1. 工艺：基于熔融长丝制造的预浸料长丝直接打印
该技术采用预浸料丝材直接进行 3D 打印，通过控制打印路径和丝材沉积方式，构建出具有复杂三维结构的复合材料部件。
2.材料：高性能丝材
该技术使用高性能聚合物，如 PEEK、PPS、TPI 和 TLCP 等，并添加功能性填料，制备出高纤维体积分数的丝材，以提高材料的性能和功能。
3.极端应用打印复合材料的性能差距
现有 3D 打印复合材料在极端应用环境下存在性能差距，主要体现在高性能丝材加工难度大、打印缺陷多，导致材料性能和稳定性无法满足需求。
4.主要问题：打印过程中工艺引起的缺陷
由于高纤维体积分数导致高性能聚合物流动性受限，3D 打印过程中会产生严重的聚合物和纤维缺陷，从而降低材料性能。这些缺陷包括孔隙、纤维损伤和纤维分布偏差等，它们会影响复合材料的力学性能、界面性能和层间性能，并最终导致打印部件的性能下降。
图 1 3D 打印连续纤维增强树脂基复合材料 (cFRPCs) 的应用前景：(a) 适应型结构 ，(b) 轻量化结构，(c) 传感器网络 ，(d) 3D 点阵结构，(e) 电磁屏蔽，(f) 活性变形，(g) 超材料 ，(h) 无人机打印，(i) 太空打印。
图 2 (a) 预浸料丝束制备和 (b) 基于 FFF 的高性能 cFRPCs 预浸料丝束直接打印。
图 3 cFRPCs 打印过程中的工艺诱导缺陷
1.过程引起的孔隙
过程引起的孔隙主要存在于聚合物结构中，分为打印重叠孔隙、层间孔隙和层内孔隙。这些孔隙的形成主要由于聚合物流动性差、打印丝材堆叠方式不当、打印压力和温度不稳定等因素导致聚合物无法完全填充间隙。熔融聚合物与空气不互溶，导致层间间隙和重叠孔隙的形成。
2. 孔隙的影响
孔隙缺陷会降低层间性能、拉伸强度、压缩强度等。为了消除孔隙缺陷，可以采用原位强化和后处理方法，例如张力、压实、真空辅助、额外能量辅助（超声波、等离子体、微波、红外、激光等）、层间聚合物喷涂、热压、热等静压、激光辅助热处理等。
图 4 过程引起的孔隙分布和演化机理
图 5 孔隙缺陷对材料性能的影响
1.纤维损伤的原因
纤维损伤主要发生在丝材的进料、挤出和堆叠阶段，由于挤出机构的挤压、喷嘴摩擦和弯曲/压扁等因素导致纤维磨损和断裂，从而降低复合材料的性能。
2.纤维损伤的影响
不同打印阶段纤维损伤程度不同，导致丝材的拉伸刚度、强度和断裂伸长率下降，最终影响打印件的性能。纤维损伤会降低打印件的拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、剪切强度和冲击强度等力学性能。
1.纤维分布偏差的原因
纤维分布偏差包括纤维平直度、纤维取向和纤维均匀度等方面的偏差，导致纤维偏离理想分布。造成偏差的因素包括打印过程参数不当、丝材变形和温度变化等。
2.纤维分布偏差的影响
即使纤维偏离轴线很小的角度，也会导致复合材料强度显著下降。纤维平直度偏差（如翘曲和皱褶）会在聚合物-纤维界面上产生应力集中，导致在加载过程中过早发生界面失效，从而显著降低力学性能。
图 6 多尺度纤维分布偏差和演化机理
图 7 纤维分布偏差对材料性能的影响
1.转向区域缺陷的原因
由于纤维的连续性和刚性，在连续纤维复合材料3D打印过程中，纤维在转向点容易断裂、扭曲和错位。这些缺陷会影响材料的性能，甚至导致结构出现致命弱点。
2.转向区域缺陷形成模型
转向区域缺陷形成的模型，旨在帮助理解和控制缺陷的形成，从而优化打印过程并提高复合材料的适用范围和可靠性。
图 8 纤维弯曲缺陷研究。(a) X 射线断层扫描结果，显示压缩测试前后 LTSSs 的情况。(b) 不同弯曲角度下单条带的 μCT 图像。(c) 显微镜下 90° 弯曲结构的图像。(d) 测量纤维束电阻的示意图。(e) 纤维扭曲的有限元分析。(f) 纤维弯曲放置模型。(g) 不同弯曲角度下打印带的应力分布有限元分析。(h) 弯曲结构中纤维扭曲缺陷。(i) 弯曲结构中纤维断裂缺陷。
由于3D打印材料在喷嘴处加热软化后快速冷却，难以实现聚合物之间的完美融合，导致打印件表面出现明显的打印痕迹，影响平行于和垂直于打印方向表面的打印件质量。常见的表面缺陷包括堆积缺陷、划痕缺陷、冗余缺陷、路径间隙、层间台阶纹理和转向处的错位等。
图 9 3D 打印过程中 (a) 的表面缺陷。(b-c) 积累缺陷，(d) 划痕，冗余缺陷，以及 (e-f) 路径间隙，层间台阶纹理。
图 10 表面缺陷消除方法 (a-f) 双喷嘴打印，(g-h) 表面依赖性和优化 (MDPI 版权所有，以及 (i-k) 压缩辅助打印。
八.缺陷消除方法
1. 消除与聚合物相关的缺陷
孔隙缺陷主要影响打印件的层间性能，存在许多在线消除方法，例如：张紧和压实、真空辅助、额外能量辅助和层间聚合物喷涂等。此外，热和压力热处理也可以调节聚合物的结晶度，减少孔隙率，从而提高打印件的层间性能、拉伸强度和弯曲强度等。
2. 消除与纤维相关的缺陷
研究人员已经开展了相关研究，以减少打印过程中纤维的损伤和缺陷。例如，在丝材打印过程中，将送料装置中的金属齿轮更换为橡胶驱动轮可以减少连续纤维的损伤，提高拉伸强度。此外，选择更大的喷嘴和更高的层厚度也可以减少连续纤维在喷嘴中的摩擦和在沉积后的挤出压力，从而减少性能损失。
3.消除转向区域的缺陷
转向打印过程中形成的缺陷是影响最终产品质量和性能的关键因素之一。这些缺陷，包括纤维断裂、错位和扭曲，会降低打印件的力学性能，甚至导致结构出现致命弱点。研究表明，通过优化喷嘴对纤维产生的张力，例如增加打印平台的自由度和采用多自由度打印策略，可以消除或最小化转向打印过程中产生的缺陷。
4.消除表面缺陷
影响 3D 打印复合材料表面质量的关键工艺参数主要包括丝材进料速度、打印速度、喷嘴温度和层厚度。这些工艺参数相互关联，对打印件表面质量、力学性能和生产效率有直接或间接的显著影响。表面质量优化主要包括打印参数优化和后处理。
图 11 纤维相关缺陷消除方法 (a) 使用橡胶驱动轮，(b) 修改喷嘴，(c) 优化进料速度和打印，以及 (d) 优化喷嘴直径和宽度。
1.工艺引起的缺陷：3D 打印的原理问题
3D 打印复合材料存在众多缺陷，孔隙率高达 10-15 vol%，导致界面和层间性能下降。纤维损伤和平整度等缺陷普遍存在，但其机制和控制尚未得到充分研究。高纤维体积分数和特殊聚合物基复合材料在 3D 打印中面临“性能-工艺”耦合矛盾和丝材变形/温度变化引起的缺陷挑战。现有缺陷消除方法效率低、成本高，迫切需要新的解决方案。
2.未来展望
纤维相关缺陷包括纤维损伤和平整度偏差，它们对复合材料性能的影响复杂且难以控制。未来研究需要深入探讨这些缺陷的生成机制，并开发在线消除方法，以提高 3D 打印复合材料的性能和可靠性。
该文章分析了高性能连续纤维增强热塑性复合材料 3D 打印过程中产生的缺陷，并提出了消除这些缺陷的方法，为提高打印质量和材料性能提供了理论指导和实践参考，推动该技术在航空航天等领域的应用。
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