摘　要

　　当我们进入一个燃料效率和变暖的时代时，能源已成为一个关键的挑战。复合材料由于其低重量和低维护，起到了更重要的作用。然而，制造复合材料结构件经常要求非常昂贵的模具并涉及大量的劳动力。

　　增材制造(AM，如使用直接3D CAD数据进行3D打印)能够快速具成本效益的生产，减少材料用量和部件数量，并缩短设计周期。这种先进性主要是由于新开发热塑性材料和AM工艺，不仅适用于原型而且适用于功能性产品和模具。
　　我们现在能增材制造复合材料并获得复合材料和AM的特点吗?作为一个例子，图1展示了复合材料在一个飞机发动机风扇叶片应用中可能采用的增材制造。增材制造被用于生产复杂的复合材料模具，同时通过直接金属激光沉积生产一种保护复合材料风扇叶片的金属前缘。

　　本文介绍达到两种特点的复合材料增材制造的研发项目。

1　用于复合材料结构件的模具

　　目前复合材料制造总成本的大部分一般是由工装和模具构成，它们包括昂贵和复杂的加工。为了满足设计要求，也需要技术熟练的工人和较长的研制周期。

　　工装和模具可以在一个自动化工艺中直接用AM中所采用的CAD文件进行制造，提供更短的研制周期、更低的成本和更高的精度。已确认在先进的AM技术中，熔融沉积成型(FDM)能够快速具成本效益地生产复合材料用模具，特别是针对复杂部件。适用于聚合物增强复合材料用耐高温模具的FDM热塑性塑料已被开发出来。例如，ULTEM9085是一种高性能热塑性塑料(见表1)，专用于商业运输业，特别是航空、航海和地面车辆。与3D生产系统相结合，ULTEM9085使设计和制造工程师们可以生产全功能部件，适用于先进的功能原型或终端应用，没有传统模具的成本和研制周期。

　　可是，热塑性塑料如ULTEM9085的热膨胀系数(CTE)比传统铝制模具高2.5倍左右，它对于部件的终成形至关重要。应该使用计算机辅助工程(CAE)软件分析这类成品模具的热性能和机械性能。为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　碳纤维增强热塑性塑料用于选择性激光烧结

　　使用增材制造制备的产品超过原型。它们为航空航天和汽车工业中所要求实际应用提供高刚度和高强度。采用增材制造工艺如选择性激光烧结(SLS)和立体平面印刷术开发的原型已经并还会被用于产品设计和开发过程中，以检查不同程度的形状、匹配和功能。但直到近，所用的原型材料可制备足以进行测试但还不适合于终使用的原型。采用先进的材料和通用的增材制造技术以及特殊的SLS，可以生产全功能性的成品部件。一系列选择性激光烧结材料(如金属和玻纤或碳纤增强塑料)被设计成满足大量的国防、航空航天、医用、工业和消费品应用。
　　但是，由于在每层中的纤维取向，终的机械性能在三个方向上是不同的，刚度在2~8GPa，强度在30~80MPa。垂直于层平面的方向(z方向)显示低的性能。材料混合比和烧结层方向对成品机械性能的影响可以用CAE工具进行分析：集成CAD、CAE和AM使大化机械性能和获得一个有竞争力的制造过程成为可能。
　　要进一步增强增材制造结构件的强度和刚度，热塑性塑料(如聚合物基体聚酰胺)可以用纳米复合材料或碳原丝纤维增强。为了建立一个文件格式，在CAD系统和打印机之间传递准确的材料内容信息，标准和测试研究院已开展了一个升级传统STI。代码的项目。

　　要使产品重量更轻、强度更大，并更具竞争力，工业界在设计和制造过程中需要对复合材料强度和疲劳寿命有一个更准确、更实际和更可靠的预测。在现有的方法中，以细观力学为基础的纤维增强复合材料应力和疲劳分析是估计真实载荷条件下结构刚度、强度和疲劳寿命，以及研究纤维含量和铺层方向对成品影响的非常有效率的方法。

3　机器人辅助连续纤维铺放或带铺层制造

　　复合材料的自动化制造也可以被归纳为“增材制造”，因为在自动带铺层(ATL)或自动纤维铺放(AFP)中，纤维被加入或铺层到配置模具上。与AM相似，AFP／ATL程序软件也读取CAD表面和层边界信息，并根据用户规定的制造标准和要求，增加材料。根据结构外形的复杂度和尺寸，使用具有所需动作轴的机器人，并基于CAD和铺层顺序编程。
　　在AFP／ATL中，常规纤维丝束和单向带被喂入机器人手臂，动作可以是非常复杂，取决于配置和铺层次序。使用新开发的多向带(C-层来自Chomarat)，机器人的动作可以大幅简化，且材料用量可以减少。根据铺层结构的尺寸和铺层次序，用户可以规定层的厚度和多向带的宽带，影响成品的机械性能。近，已有可能为管道和曲面结构快速固结热塑性塑料。热塑性复合材料的快速固结对于复合材料先进AM预期将成为一种重要的技术。多向带还可以被用在纤维增强热塑性复合材料激光辅助加工中。
　　新的分裂3D路径替代用于当前AM中的切片2D数据，它们可以被开发用于放置纤维、树脂和第三种可能的支撑材料。这种方法可以取消金属激光沉积中所提到的模具，导致减少材料废料，缩短设计周期和大幅降低部件数量。

4　蜂窝数字材料

　　联锁蜂窝数字材料已被提出作为一种制造大型复合材料结构件的增材制造技术。蜂窝材料由复合材料构成，根据需要组装、拆卸和重组装。

　　理论上，每密度的终刚度和强度会比传统的复合材料结构件高10倍。这种使用组装制造而不是铺层或打印的方法是真正的分裂型。