一键即可： 基于机器人的连续纤维增强塑料3D打印

轻量化结构被视作提高资源效率、实现气候保护的关键技术。与钢材和铝材相比，纤维增强塑料能够在保持同等性能的同时显著减轻重量，从而减少交通运输领域的温室气体排放。但其工业应用仍受到技术边界的限制。例如，对专用部件模具的需求降低了小批量生产的成本效益。因此，中小企业尤其依赖手糊成型等手工工艺。这类工艺不仅难以自动化，其部件质量也在很大程度上取决于操作人员的经验。此外，使用织物或非卷曲织物半成品会产生高达30%的材料浪费，同时还需要在强度和部件复杂性之间进行工艺相关的权衡。

为了突破这些限制，3D打印正日益成为研究焦点。作为一种无模具制造工艺，它能够实现与批量无关的单件成本、近净成形、材料高效生产以及稳定的部件质量。尽管通过熔融沉积成型（FDM）工艺制造短纤维增强热塑性塑料已得到广泛应用，但连续纤维的使用可显著提高强度。首批商用系统基于龙门架构，因而受限于典型的逐层沉积工艺，导致纤维仅能集成于单个平面层内，材料性能呈各向异性。纤维增强热固性树脂的3D打印仍处于研究阶段。目前，采用紫外光固化和热固化树脂的方法仅停留在实验室规模，且大多依赖平面制造概念，这限制了沿载荷路径的纤维增强，从而无法充分释放轻量化潜力。

在此背景下，亚琛工业大学纺织技术研究所（ITA）正致力于开发用于连续纤维增强3D打印的机器人导引工艺。借助机械臂，可在三维空间中沿载荷路径精确铺放纤维，从而实现拓扑优化结构，该结构兼具高强度和卓越的材料效率。目前，ITA正在开发适用于热塑性体系和UV固化树脂的打印头、半成品及配套工艺控制系统。

不同的材料

热塑性半成品已在3D打印领域得到广泛应用。聚酰胺6（尼龙）等可熔融加工聚合物已被用于制造多种交通运输领域的部件。通过与增强纤维相结合，它们在轻量化和可持续部件的生产方面展现出巨大潜力。ITA目前正在研究连续纤维增强热塑性塑料3D打印用预浸渍半成品的材料制造和加工工艺。由于热塑性塑料熔体黏度较高，纤维浸渍尤其具有挑战性。同样，基体在加热打印头中的熔融行为也至关重要，因为必须确保纤维的可靠输送。传统的缠绕或铺带方法所采用的从打印头中抽出纤维的方式在此并不适用。因此，ITA正在研究创新的纤维涂层，使其既能实现良好的浸渍效果，又能在基体于打印头内熔融的过程中保持可控的刚度。

图1：用UV 树脂打印独立结构，纤维输送则由树脂流动驱动© ITA

由于热塑性聚合物熔体黏度较高，其在纤维浸渍过程中存在局限性，而替代性基体系统则开辟了新的可能性。ITA 的研究表明，UV固化树脂因其快速固化和低黏度的特性而特别适用于连续纤维增强3D打印。它们可用于独立结构的打印，既确保了优异的纤维浸渍效果又省去了耗能的后固化步骤，从而有助于实现资源节约型制造。目前的主要技术挑战在于如何在打印过程中实现纤维输送。现有方法要么通过将纤维固定在平台上进行牵引，要么借助树脂流动的粘性剪切力。但这两种方法会导致尺寸不精确，或需要树脂具有特定黏度，进而影响纤维束的浸渍效果。因此，ITA开发了一种将纤维输送和树脂流动解耦的新工艺，该工艺能够加工不同的UV树脂并精确调控纤维体积分数。与此同时，相应的打印头、树脂和纤维半成品也正在定制开发中。添加剂被用于在浸渍效果和形状稳定性之间实现最佳黏度平衡，而纤维涂层则可提高弯曲刚度——从而实现独立的机械进给（图1）。

 
工艺过程

除材料之外，工艺本身目前也是连续纤维增强3D打印研究的核心。得益于基于机器人的沉积技术的灵活性，现已能以全自动且无需模具的工艺生产出极其轻量化的可持续结构部件。连续纤维打印方式以自行车把手上的电脑支架为例加以说明。基于几何边界条件与该电脑支架既定载荷工况，可推导出相应的结构与力学要求（图2）。

图2：自行车电脑支架的力学系统© ITA
 

图3：部件第二层的机器人路径© ITA

 

载荷通过电脑的安装板引入，使支架主要承受弯曲载荷，类似于悬臂梁的受力状态。完成初步解析设计后，进行有限元分析，并以此作为以减重为目标的拓扑优化的基础，最终形成类似桁架的结构。

图4：电脑支架下部结构——渲染图与机器人路径对比© ITA

优化后的电脑支架被重新导入仿真工具并在设计载荷工况下进行验证。基于应力矢量，确定纤维的铺放路径。在夹紧区域采用准各向同性层压板设计，而桁架单元则采用纵向纤维取向进行生产，以最高效的方式承受轴向力。纤维路径通过建模软件在非平面层中规划，并根据最终部件轮廓进行调整。每一层的边界由连续的周向纤维路径构成，而内部结构则根据载荷和区域的不同在层间有所变化（图3）。打印路径通过数控软件从建模几何体转换为机器人运动路径，随后经后处理生成机器人可执行的数控代码。此外，还添加了纤维输送和切断的控制指令，并可通过方向操作避免碰撞。图4所示为电脑支架最终的下部结构。图中上部可见，沉积的连续纤维料带构成了部件的几何形状。

结论

为制造优化后的自行车电脑支架而进行的初步试验，证实了基于机器人的连续纤维3D打印技术在轻量化方面的潜力。这种无需模具的工艺为纤维增强复合材料的生产树立了新的标杆。尤其对于小批量和高度定制化的部件而言，该技术能够实现高效、经济且可持续的生产。

本文由荣格独家翻译自Plastics Insights杂志
作者：Univ.-Prof. Prof. h.c. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Thomas Gries，Sebastian Backes, M.Sc.，Paul Zachäus, M.Sc.

来源：荣格-《国际塑料商情》

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