碳纖維復(fù)合材料是一種輕質(zhì)荒鳖、高強(qiáng)度的工程材料，其強(qiáng)度比鋼鐵高10倍隘匙，比鋁高8倍棒论，而重量只是這些材料的一小部分。近些年來恕臣，碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)過程中的數(shù)字化委董，從設(shè)計到制造過程控制，從自我修正到監(jiān)控智能復(fù)合結(jié)構(gòu)的運行性能日益得到關(guān)注靴亩。自感應(yīng)（self-sensing）是材料感知自身狀況的能力血明。將材料本身用作傳感器，可以在不植入或不附加傳感器系統(tǒng)的情況下伪睬，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行監(jiān)測腊尤。這樣，不僅成本更低口溃，耐用性更高揩页，感測體積更大，而且力學(xué)性能損失更小烹俗。

由連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料是已知的具有自感應(yīng)能力的材料爆侣，比如，它可基于連續(xù)纖維電阻的可測量變化幢妄，對纖維纏繞的缸體中存在的損傷進(jìn)行自感應(yīng)監(jiān)測兔仰。其應(yīng)用潛力還包括對飛機(jī)或橋梁等建筑中關(guān)鍵部分的結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行監(jiān)控。有研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)將連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的自感應(yīng)能力與增材制造結(jié)合在一起蕉鸳，以生產(chǎn)自感應(yīng)部件乎赴。

連續(xù)纖維3D打印智能感知復(fù)合結(jié)構(gòu)

從傳統(tǒng)材料角度看，這種具備自感知能力的復(fù)合材料在制造過程將涉及多個階段潮尝，需要更復(fù)雜的操作和專用技術(shù)制造完成榕吼。布萊特蘭材料中心將連續(xù)碳纖維的自感知能力與增材制造技術(shù)相結(jié)合，使得結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用更具成本效益，從而能夠更廣泛地使用并擴(kuò)展到新的應(yīng)用中友题。

碳纖維必須從零件中外延才能與用于監(jiān)控的電子硬件相連

增材制造技術(shù)可以非常精確地定位和定向連續(xù)碳纖維嗤堰。因此，可以將纖維放置在產(chǎn)品內(nèi)部的選定方向和位置面镣，使其沿著指定載荷路徑提供所需強(qiáng)度和剛度卒抖，形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組成部分。這意味著碳纖維被安置在需要其發(fā)揮監(jiān)測結(jié)構(gòu)“傳感器”作用的位置中甩宣，多條纖維可以在整個零部件中形成一系列傳感器栏葬。

布萊特蘭材料中心利用一款人行復(fù)合材料橋的縮比模型和簡單彎曲梁，通過監(jiān)控其結(jié)構(gòu)的變形情況來證明了這一設(shè)計概念杯削。其研究工程師表示抚言，所采用的Anisoprint A4 Composer打印機(jī)在選擇打印材料和完全控制纖維沉積方面，提供了極高的自由度褐泊。纖維定位的自由度對于感知至關(guān)重要芦槽，因為連續(xù)的碳纖維必須從零件中外延才能與用于監(jiān)控的電子硬件相連。

在橋上施加的載荷與連續(xù)纖維的電阻之間存在明顯的相關(guān)性

更精確的3D打印成果

由于3D打印不再需要工具或模具杯娶，因此它提供了一步制造方法來生產(chǎn)任何形狀的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料黎伤，從而取代了更復(fù)雜、耗時且昂貴的傳統(tǒng)多步制造技術(shù)栅苞。但是催舅，優(yōu)化3D打印結(jié)構(gòu)的制造過程可能需要經(jīng)過多次迭代。具有自感知能力的3D打印復(fù)合材料可以收集有關(guān)其實際使用情況的信息蓄氧，這對于新產(chǎn)品的設(shè)計和原型件測試階段十分重要函似。

Anisoprint復(fù)合纖維共擠技術(shù)（CFC）

在此類測試過程中，自感知3D打印部件會實時記錄狀態(tài)及使用過程中承受的作用力喉童，這使設(shè)計人員和工程師可以更精確地了解3D打印部件在使用過程中必須滿足的實際要求撇寞。
這種感知還可以使部件充當(dāng)診斷工具。例如泄朴，3D打印的自感知矯形器或假體部件可能會收集患者的活動信息重抖，并向醫(yī)生提供有關(guān)患者身體壓力分布和行為運動方式等有價值的信息露氮。

航空中的碳纖維：不是金屬祖灰，勝過金屬

隨著材料學(xué)的發(fā)展，金屬已經(jīng)不再是我們的唯一選擇榆骚，有大量的非金屬材料因為特殊的性能而被被應(yīng)用到航空發(fā)動機(jī)中蔼俐，如陶瓷材料和碳纖維舷胜。陶瓷因為其極佳的耐高溫性能而有可能在未來的航空發(fā)動機(jī)高溫部件中得到使用；碳纖維則以優(yōu)秀的比強(qiáng)度三妈、比模量等綜合指標(biāo)被航空航天工業(yè)青睞。

碳纖維相比于金屬材料最明顯的一個優(yōu)點就是—輕。碳纖維密度一般在1400~2000kg每立方米策见，經(jīng)過環(huán)氧樹脂強(qiáng)化的碳纖維密度也不過1600kg每立方米而已镀材，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于金屬材料。

而且這種材料抗拉強(qiáng)度極高蒜材，想要拉斷高強(qiáng)度碳纖維材料需要用拉斷同樣橫截面積鋼鐵的力的兩到四倍忍具。

碳纖維（后三行）與金屬材料的對比

另外，碳纖維跟金屬材料不一樣抖臭，碳纖維材料并沒有所謂“疲勞強(qiáng)度”的概念却怪，也就是說變化的力對于金屬材料來說是一種威脅，需要重點關(guān)注倾伶，但是放在碳纖維這里卻不叫什么事情殷感。

上面這些優(yōu)點對于航空器材可以說是至關(guān)重要，因為這些東西是要飛上天的感戴，所以自然是越輕越好熏迷，而且像航空發(fā)動機(jī)這樣的裝置，需要承受巨大都癣、復(fù)雜的載荷辨批，工作狀態(tài)下零件內(nèi)部會分布有復(fù)雜變化的載荷，有這么一種密度小握联、強(qiáng)度高桦沉、抗疲勞能力強(qiáng)的材料自然是極好的。

碳纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛金闽，它可以被用來制造火箭的燃料儲藏罐纯露，也可以用來制造飛機(jī)的外殼。尤其是現(xiàn)在先進(jìn)民用客機(jī)制造中代芜，碳纖維的使用比例已經(jīng)超過了50%埠褪。

波音787外殼大量使用碳纖維材料（藍(lán)色）

連續(xù)纖維增材制造技術(shù)或?qū)㈩嵏埠娇諒?fù)合材料結(jié)構(gòu)生產(chǎn)模式

連續(xù)纖維3D打印技術(shù)綜合利用工業(yè)機(jī)器人、3D打印末端執(zhí)行器挤庇、原位檢測钞速、智能監(jiān)測與機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，快速輸送嫡秕、沉積連續(xù)纖維增強(qiáng)體渴语，以及基體樹脂并原位浸漬、固化昆咽，與傳統(tǒng)的自動鋪絲成形以及熔融沉積成形等工藝相比驾凶，自動化程度和柔性更高，對于典型的碳纖維／聚醚醚酮零件鉴梦，研發(fā)周期可縮短至原來的1/30氛灸，生產(chǎn)速度可提高100倍。連續(xù)纖維3D打印機(jī)可以由多機(jī)器人組成柔性單元，機(jī)器人上還可添加多個3D打印末端執(zhí)行器剑碌，同時打印頭可支持碳纖維嘀醋、凱夫拉、玻璃纖維甚至光纖和金屬絲等材料孟溯，使該技術(shù)既可以用于大批量生產(chǎn)復(fù)合材料零件鞍票，也可以一次性打印高度復(fù)雜的幾何形狀或者需要極其精密制造的關(guān)鍵零件。

McNair 3D打印技術(shù)旨在生產(chǎn)高度復(fù)雜且獨特的結(jié)構(gòu)

CEAD集團(tuán)3D打印高壓滅菌模具

當(dāng)前找蝗，連續(xù)纖維3D打印技術(shù)還存在兩個主要問題：一是纖維含量低岖佛，且打印層之間的分層可能性高；二是缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的連續(xù)工具路徑生成商業(yè)軟件渊输。未來用虚，隨著這些問題的解決，該技術(shù)依托靈活開放奸误、高速高效粤蝎、低成本且生產(chǎn)完全自動化等優(yōu)勢，必將會與傳統(tǒng)復(fù)合材料制造技術(shù)產(chǎn)生競爭袋马〕跖欤可以預(yù)見，隨著該技術(shù)的成熟和大規(guī)模推廣應(yīng)用虑凛，將進(jìn)一步促進(jìn)航空制造業(yè)探索以3D打印方式批量生產(chǎn)無人機(jī)碑宴、復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)以及制造工裝，開啟航空復(fù)合材料發(fā)展的新浪潮桑谍。

雙機(jī)器人連續(xù)纖維3D打印機(jī)

當(dāng)前延柠，美歐3D打印技術(shù)開發(fā)商與機(jī)器人制造商已共同開發(fā)了一系列先進(jìn)的連續(xù)纖維3D打印設(shè)備與制造工藝。面對國外技術(shù)飛速發(fā)展的勢頭锣披，我國應(yīng)加強(qiáng)情報跟蹤研判贞间，聯(lián)合原材料、機(jī)器人雹仿、末端執(zhí)行器增热、3D打印軟件、傳感器胧辽、機(jī)器學(xué)習(xí)嗤矾、數(shù)控系統(tǒng)優(yōu)勢企業(yè)，盡早開發(fā)和演示驗證若干系列自主可控的工藝和裝備像得，形成規(guī)姆疚玻化的制造工藝和裝備產(chǎn)業(yè)鹅甚，支撐我國制造業(yè)提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量轨醒，以迎接未來航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計制造面臨的高速、低成本競爭，并滿足未來以無人機(jī)為代表的航空裝備低成本大批量按需制造的需求佃逆。

（3D打印技術(shù)參考）

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