纤维增强复合材料是广泛应用于交通和能源行业的轻质结构材料。目前的复合材料制造方法需要昂贵的工具和长时间的能源密集型加工，导致制造成本高，设计复杂性有限，制造速度低。纤维增强复合材料3D打印当前主要有以下形式：短纤增强线材以FDM/FFF挤出打印、短纤复合尼龙等聚合物粉末以SLS烧结或喷墨热熔打印、丝束共挤出长纤维以及原位浸渍长纤维等技术，每种技术各有应用场景。
3D打印技术参考注意到，来自美国亚利桑那州立大学的Mostafa Yourdkhani的副教授领导的研究团队在碳纤维3D打印领域取得新的研究进展，使用该技术可以快速、可扩展地制造高性能复合材料，能够实现连续和不连续纤维的无工具、无支撑、无需后固化的高质量3D打印，材料的纤维含量高达70vol%，接近零空隙，可在半空中打印。
Mostafa曾获iCANX协会颁发的青年科学家奖、2024年PMSE早期研究者奖，入围CAMX复合材料卓越奖。这项研究以“Additive manufacturing of carbon fiber-reinforced thermoset composites via in-situthermal curing”为题发表在Nature Communications，第一作者来自科罗拉多州立大学。相关评论指出，这项技术可能会改变航空航天、国防、能源等领域的游戏规则。
热敏热固性树脂+碳纤维快速传热
原位光热辅助固化3D打印
研究人员对纤维增强热塑性复合材料的3D打印，基于使用热响应热固性树脂作为复合材料的基体，并通过光热转换对碳纤维增强材料进行局部远程加热，使得复合材料能够快速原位固化而无需进一步的后处理。在通过机器人平台沉积后，基体热固性材料立即从液体或粘性树脂快速固化并相变为刚性聚合物，可以不使用支撑即可高保真、自由成形的制造不连续和连续的纤维增强复合材料。
所开发的聚合物树脂粘度可调，是一种高性能交联热固性材料，从低粘度液体树脂到粘性凝胶，是开发不连续和连续纤维增强热固性复合材料增材制造加工方法的理想选择。其具有高模量和强度、热稳定性、抗冲击性、断裂韧性和耐化学性的良好组合，同时具有低密度、固化收缩和吸湿性，这些特性使其成为了用于结构应用的理想聚合物。
通过热响应树脂的光热辅助固化来增材制造复合材料
在光热转化方面，碳纤维具有良好吸收特性，被利用来转换入射单色蓝色激光的能量（波长450nm），在100-200 ms内局部加热，实现有效的光热能量转换。在打印过程中连续快速加热复合材料，产生的热量通过利用碳纤维的高导热性，迅速传导增加周围树脂的温度。
将热敏热固性树脂与碳纤维的快速光热加热相结合，能够以前所未有的速度制造不连续和连续的碳纤维增强复合材料，解决了传统制造方法和商业3D打印工艺的缺点。
非连续与连续碳纤维
增强复合材料的原位固化3D打印
在不连续碳纤维复合材料的3D打印中，首先将树脂溶液在30℃下预热1小时以增加粘度，然后加入15vol%的短切碳纤维，使用离心式混合器混合5分钟，再在30℃下继续放置20分钟，制成具有剪切变稀行为的可打印墨水，以便通过细小的打印喷嘴挤出。
制备好的墨水需要使用热电制冷片将墨水温度维持在-5℃，防止树脂在常温下交联。墨水在气压下按预定轨迹挤出，蓝色激光对刚沉积的复合材料进行局部加热。碳纤维会吸收激光能量并迅速转化为热能，使周围树脂的温度快速升高至220- 240℃，从而引发树脂固化，实现复合材料的快速固化，固化度可达96%-98%。
在连续纤维的原位光热固化3D打印中，连续的碳纤维丝束在机器人平台的打印头上用树脂浸渍，通过分配喷嘴进料，并通过调节分配喷嘴的角度或使用压实辊沿打印路径沿着放置。由于树脂体系在室温下的粘度低且相对稳定，纤维容易用树脂浸渍和复合材料的受控压实导致复合材料具有很少或没有空隙含量（0至1.5体积%），这对于使用其他复合3D打印工艺是相当具有挑战性的。
连续纤维原位光热固化3D打印
不连续纤维增强复合材料的增材制造
连续纤维增强复合材料的增材制造
研究人员表示，使用具有更高输出功率的激光源或多个激光源的空间对准阵列可以实现更高的打印速度。同时碳纤维的浓度不会显著影响复合油墨的光热转换和固化速率，碳纤维可以有效地转换入射的能量并在各种浓度下在长丝内传递所产生的热量。在没有碳纤维的情况下，纯油墨不会对入射激光束作出反应，导致打印不成功。
纯油墨不会对入射激光束作出反应
与传统增材制造方法形成鲜明对比，这种增材制造方法不需要对基底或周围空气温度进行详细控制，从而促进了复合结构的可扩展制造。多层连续复合材料结构通过浸渍纤维的自动放置和快速光热固化而容易地打印在室温玻璃基板上。同时这种增材制造方法通过减少制造时间、消除多个加工步骤和耗材的需要以及最大限度地减少人工干预，简化了定制复合材料部件的制造，最终实现更快的生产和更低的成本。
实现碳纤维悬空3D打印并沉积在玻璃板上
总的来说，这种新开发的增材制造方法，可以通过热响应热固性树脂的协同集成和通过光热转换实现的碳纤维的远程加热，从而快速、灵活和节能地制造纤维增强热固性复合材料。这种方法适用于各种各样的热敏树脂。同时，这种新开发的增材制造方法将能够快速和可扩展地制造复合工具和复杂零件，修复现有结构，以及多尺度复合材料的多材料打印。#碳纤维3D打印
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59848-2
注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。
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