碳纖維復合材料是一種輕質、高強度的工程材料，其強度比鋼鐵高10倍，比鋁高8倍，而重量只是這些材料的一小部分。近些年來，碳纖維復合材料生產過程中的數字化，從設計到制造過程控制，從自我修正到監控智能復合結構的運行性能日益得到關注。自感應（self-sensing）是材料感知自身狀況的能力。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的情況下，對產品的結構信息進行監測。這樣，不僅成本更低，耐用性更高，感測體積更大，而且力學性能損失更小。

由連續碳纖維增強的聚合物基復合材料是已知的具有自感應能力的材料，比如，它可基于連續纖維電阻的可測量變化，對纖維纏繞的缸體中存在的損傷進行自感應監測。其應用潛力還包括對飛機或橋梁等建筑中關鍵部分的結構健康狀況進行監控。有研究機構已經將連續纖維增強熱塑性塑料的自感應能力與增材制造結合在一起，以生產自感應部件。

連續纖維3D打印智能感知復合結構

從傳統材料角度看，這種具備自感知能力的復合材料在制造過程將涉及多個階段，需要更復雜的操作和專用技術制造完成。布萊特蘭材料中心將連續碳纖維的自感知能力與增材制造技術相結合，使得結構健康監測應用更具成本效益，從而能夠更廣泛地使用并擴展到新的應用中。

碳纖維必須從零件中外延才能與用于監控的電子硬件相連

增材制造技術可以非常精確地定位和定向連續碳纖維。因此，可以將纖維放置在產品內部的選定方向和位置，使其沿著指定載荷路徑提供所需強度和剛度，形成內部結構的組成部分。這意味著碳纖維被安置在需要其發揮監測結構“傳感器”作用的位置中，多條纖維可以在整個零部件中形成一系列傳感器。

布 萊特 蘭 材料中心利用一款人行復合材料橋的縮比模型和簡單彎曲梁，通過監控其結構的變形情況來證明了這一設計概念。 其研究工程師表示，所采用的Anisoprint A4 Composer打印機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。 纖維定位的自由度對于感知至關重要，因為連續的碳纖維必須從零件中外延才能與用于監控的電子硬件相連。

在橋上施加的載荷與連續纖維的電阻之間存在明顯的相關性

更精確的3D打印成果

由于3D打印不再需要工具或模具，因此它提供了一步制造方法來生產任何形狀的連續纖維增強復合材料，從而取代了更復雜、耗時且昂貴的傳統多步制造技術。但是，優化3D打印結構的制造過程可能需要經過多次迭代。具有自感知能力的3D打印復合材料可以收集有關其實際使用情況的信息，這對于新產品的設計和原型件測試階段十分重要。

Anisoprint復合纖維共擠技術（CFC）

在此類測試過程中，自感知3D打印部件會實時記錄狀態及使用過程中承受的作用力，這使設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。

這種感知還可以使部件充當診斷工具。例如， 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，并向醫生提供有關患者身體壓力分布和行為運動方式等有價值的信息。

航空中的碳纖維：不是金屬，勝過金屬

隨著材料學的發展，金屬已經不再是我們的唯一選擇，有大量的非金屬材料因為特殊的性能而被被應用到航空發動機中，如陶瓷材料和碳纖維。陶瓷因為其極佳的耐高溫性能而有可能在未來的航空發動機高溫部件中得到使用；碳纖維則以優秀的比強度、比模量等綜合指標被航空航天工業青睞。

碳纖維相比于金屬材料最明顯的一個優點就是—輕。碳纖維密度一般在1400~2000kg每立方米，經過環氧樹脂強化的碳纖維密度也不過1600kg每立方米而已，遠遠好于金屬材料。

而且這種材料抗拉強度極高，想要拉斷高強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。

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，碳纖維材料并沒有所謂“疲勞強度”的概念，也就是說變化的力對于金屬材料來說是一種威脅，需要重點關注，但是放在碳纖維這里卻不叫什么事情。

上面這些優點對于航空器材可以說是至關重要，因為這些東西是要飛上天的，所以自然是越輕越好，而且像航空發動機這樣的裝置，需要承受巨大、復雜的載荷，工作狀態下零件內部會分布有復雜變化的載荷，有這么一種密度小、強度高、抗疲勞能力強的材料自然是極好的。

碳纖維在航空航天領域的應用非常廣泛，它可以被用來制造火箭的燃料儲藏罐，也可以用來制造飛機的外殼。尤其是現在先進民用客機制造中，碳纖維的使用比例已經超過了50%。

波音787外殼大量使用碳纖維材料（藍色）

連續纖維增材制造技術或將顛覆航空復合材料結構生產模式

連續纖維3D打印技術綜合利用工業機器人、3D打印末端執行器、原位檢測、智能監測與機器學習等技術，快速輸送、沉積連續纖維增強體，以及基體樹脂并原位浸漬、固化，與傳統的自動鋪絲成形以及熔融沉積成形等工藝相比，自動化程度和柔性更高，對于典型的碳纖維／聚醚醚酮零件，研發周期可縮短至原來的1/30，生產速度可提高100倍。連續纖維3D打印機可以由多機器人組成柔性單元，機器人上還可添加多個3D打印末端執行器，同時打印頭可支持碳纖維、凱夫拉、玻璃纖維甚至光纖和金屬絲等材料，使該技術既可以用于大批量生產復合材料零件，也可以一次性打印高度復雜的幾何形狀或者需要極其精密制造的關鍵零件。

McNair 3D打印技術旨在生產高度復雜且獨特的結構

CEAD集團3D打印高壓滅菌模具

當前，連續纖維3D打印技術還存在兩個主要問題：一是纖維含量低，且打印層之間的分層可能性高；二是缺乏標準化的連續工具路徑生成商業軟件。未來，隨著這些問題的解決，該技術依托靈活開放、高速高效、低成本且生產完全自動化等優勢，必將會與傳統復合材料制造技術產生競爭。可以預見，隨著該技術的成熟和大規模推廣應用，將進一步促進航空制造業探索以3D打印方式批量生產無人機、復雜航空結構以及制造工裝，開啟航空復合材料發展的新浪潮。

雙機器人連續纖維3D打印機

當前，美歐3D打印技術開發商與機器人制造商已共同開發了一系列先進的連續纖維3D打印設備與制造工藝。面對國外技術飛速發展的勢頭，我國應加強情報跟蹤研判，聯合原材料、機器人、末端執行器、3D打印軟件、傳感器、機器學習、數控系統優勢企業，盡早開發和演示驗證若干系列自主可控的工藝和裝備，形成規模化的制造工藝和裝備產業，支撐我國制造業提高生產效率和質量，以迎接未來航空復合材料結構設計制造面臨的高速、低成本競爭，并滿足未來以無人機為代表的航空裝備低成本大批量按需制造的需求。

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