連續(xù)纖維增強復(fù)合材料（如碳纖維、玻璃纖維增強聚合物）憑借高強度（比強度是鋼的 5 倍）、輕量化（密度僅為金屬的 1/4）等優(yōu)勢，已成為航空航天、高端裝備領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。而 3D 打印技術(shù)的引入，打破了傳統(tǒng)復(fù)合材料成型對模具的依賴，可實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體化制造。但纖維路徑的無序排列會導致力學性能波動（偏差可達 30%），如何通過路徑規(guī)劃精準調(diào)控力學性能，成為連續(xù)纖維 3D 打印的核心難題。本文將系統(tǒng)解析路徑設(shè)計原則與力學性能的關(guān)聯(lián)機制，提供可落地的調(diào)控方案。

一、連續(xù)纖維3D打印的核心技術(shù)特點

連續(xù)纖維增強復(fù)合材料 3D 打?。–FRP-3DP）通過 “纖維鋪設(shè) - 樹脂浸潤 - 逐層固化” 的協(xié)同過程實現(xiàn)成型，其技術(shù)特點決定了路徑規(guī)劃的特殊性。

（一）成型原理與設(shè)備特性

?雙噴頭協(xié)同工作：一個噴頭輸送連續(xù)纖維（直徑 5-20μm，如碳纖維 T700），另一個噴頭擠出基體樹脂（如環(huán)氧樹脂、PEEK），纖維浸潤樹脂后按預(yù)設(shè)路徑鋪放，經(jīng)紫外光或熱固化定型。典型設(shè)備如 Markforged X7，纖維體積含量可達 35%-50%（傳統(tǒng)工藝通常＜30%）。

?層間結(jié)合機制：纖維在層間的搭接長度需≥5mm 才能保證強度（如碳纖維與環(huán)氧樹脂界面剪切強度需＞25MPa），路徑規(guī)劃需避免層間纖維 “斷頭” 或 “錯位”（錯位量＞0.5mm 會導致強度下降 15%）。

（二）力學性能的各向異性

連續(xù)纖維復(fù)合材料的力學性能具有強烈的方向依賴性：

?縱向強度（纖維排列方向）可達 1000-1500MPa，而橫向強度（垂直纖維方向）僅為縱向的 10%-20%（約 100-300MPa）。例如單向碳纖維增強 PEEK，0° 方向拉伸強度 1200MPa，90° 方向僅 120MPa。

?層間剪切強度是薄弱環(huán)節(jié)（通常 30-60MPa），若路徑規(guī)劃不合理（如層間纖維角度突變），易在此處發(fā)生剝離破壞。

二、路徑規(guī)劃的三大設(shè)計原則

路徑規(guī)劃的核心是讓纖維沿受力方向有序排列，同時保證層間結(jié)構(gòu)連續(xù)性，需遵循以下原則。

（一）纖維方向與受力匹配原則

根據(jù)構(gòu)件的載荷類型（拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)）設(shè)計纖維方向，實現(xiàn) “按需增強”：

?拉伸載荷：纖維平行于受力方向（0°）排列，如無人機機翼的翼梁，0° 方向纖維占比需≥70%，可承受軸向拉力達 50kN。

?彎曲載荷：采用 ±45° 交叉鋪設(shè)，中性軸附近增加 0° 纖維（占比 30%），如汽車傳動軸的彎曲強度可提升 40%（從 800MPa 增至 1120MPa）。

?扭轉(zhuǎn)載荷：以 ±45° 為主（占比 80%），層間插入 15°/75° 輔助纖維，如直升機旋翼軸的抗扭強度可達 300MPa（純樹脂僅 50MPa）。

案例：某航天支架需承受多向載荷（軸向 20kN + 橫向 10kN），路徑規(guī)劃為：60% 纖維沿軸向（0°），30% 沿 45°，10% 沿 90°，測試表明其綜合力學性能比隨機排列提升 2.3 倍。

（二）層間銜接與連續(xù)性原則

層間纖維的搭接質(zhì)量直接影響層間剪切強度，需通過路徑設(shè)計實現(xiàn) “三維交織”：

?階梯式搭接：上層纖維末端相對于下層纖維偏移 1-2mm（如第一層纖維終點在 X=10mm，第二層在 X=11mm），形成階梯狀過渡，層間剪切強度可提升 25%（從 40MPa 增至 50MPa）。

?Z 向纖維穿插：每 5 層設(shè)置一層 “Z 向連接纖維”（垂直于打印平面），長度 0.5-1mm，如打印厚壁結(jié)構(gòu)（＞20mm）時，層間剝離力從 15N/m 增至 35N/m，適合承受沖擊載荷的部件。

?避免層間直線對齊：纖維末端在層間錯開排列（如第一層沿 X 軸，第二層沿 Y 軸），防止在同一位置形成 “薄弱線”，如壓力容器的層間纖維錯位排列后，爆破壓力提升 18%。

（三）纖維體積含量的梯度分布

根據(jù)構(gòu)件不同區(qū)域的受力差異，調(diào)整纖維密度（體積含量 5%-50%）：

?高應(yīng)力區(qū)：如機械臂的關(guān)節(jié)部位，纖維體積含量達 40%-50%，采用密集路徑（線間距 0.2-0.3mm）。

?低應(yīng)力區(qū)：如外殼的非承重區(qū)域，纖維含量降至 10%-20%，線間距擴大至 0.5-0.8mm，可減重 30% 且不影響使用。

?過渡區(qū)設(shè)計：高、低含量區(qū)域通過 3-5 層梯度過渡（每層含量變化 5%-10%），避免因含量突變導致的應(yīng)力集中（如從 50% 降至 10% 需 6 層過渡，應(yīng)力集中系數(shù)從 2.5 降至 1.2）。

三、典型結(jié)構(gòu)的路徑規(guī)劃策略

針對不同幾何結(jié)構(gòu)（平板、曲面、鏤空），路徑規(guī)劃需結(jié)合結(jié)構(gòu)特點優(yōu)化纖維走向，平衡力學性能與成型可行性。

（一）平板類結(jié)構(gòu)：均衡強度與平整度

?單向平鋪 + 交叉增強：主體采用 0°/90° 正交排列（適合承受雙向拉伸），表面添加 ±45° 斜紋纖維（占比 20%），如打印機底座平板，平面度誤差可控制在 ±0.1mm，同時抗彎強度達 350MPa。

?網(wǎng)格路徑優(yōu)化：大尺寸平板（＞500mm）采用 “蜂窩網(wǎng)格” 路徑（網(wǎng)格尺寸 5-10mm），纖維沿網(wǎng)格邊緣鋪設(shè)，比滿鋪節(jié)省 30% 材料，且抗變形能力（撓度＜0.5mm/m）優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

（二）曲面與異形結(jié)構(gòu)：纖維走向的平滑過渡

?等曲率路徑：纖維沿曲面的曲率方向鋪設(shè)（如圓柱面沿圓周方向），曲率半徑＞5mm 時，纖維彎曲應(yīng)力＜100MPa（低于斷裂應(yīng)力），如無人機機身曲面的纖維沿徑向 + 環(huán)向排列，表面無褶皺，強度達標率 95%。

?分片映射法：將復(fù)雜曲面分解為多個小平面（誤差＜0.5mm），每個平面內(nèi)纖維按直線排列，交界處采用弧形過渡（半徑＞3mm），如渦輪葉片的纖維路徑經(jīng)分片優(yōu)化后，疲勞壽命提升至 10?次循環(huán)（未優(yōu)化僅 3×10?次）。

（三）鏤空與框架結(jié)構(gòu)：纖維的拓撲優(yōu)化

根據(jù)受力仿真結(jié)果，在非受力區(qū)域減少纖維，實現(xiàn) “輕質(zhì)高強”：

?拓撲路徑生成：通過有限元分析識別構(gòu)件的 “力流路徑”，纖維僅沿力流方向鋪設(shè)（如桁架結(jié)構(gòu)的纖維沿主受力桿件分布），如機器人手臂經(jīng)拓撲優(yōu)化后，重量減輕 40%，而剛度保持不變（150GPa）。

?節(jié)點強化設(shè)計：鏤空結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點處采用 “放射狀纖維”（從節(jié)點中心向四周發(fā)散），如自行車車架的五通節(jié)點，放射狀纖維分布使其承受扭矩達 200N?m（傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)僅 120N?m）。

四、力學性能的多維度調(diào)控方法

除路徑規(guī)劃外，可通過工藝參數(shù)、纖維預(yù)處理、樹脂改性等手段進一步調(diào)控力學性能，實現(xiàn) “性能定制”。

（一）工藝參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化

1.打印速度與纖維張力：

?速度過快（＞100mm/s）會導致纖維浸漬不充分（浸漬率＜80%），拉伸強度下降 20%；速度過慢（＜30mm/s）則樹脂易流失，建議速度 40-60mm/s。

?纖維張力控制在 5-15N（碳纖維取 10-15N，玻璃纖維取 5-10N），張力不足會導致纖維松弛（路徑偏移＞0.3mm），張力過大則纖維易斷裂（斷絲率＜1% 為合格）。

1.樹脂浸潤與固化參數(shù)：

?樹脂粘度需匹配纖維類型（碳纖維適合粘度 500-1000mPa?s，玻璃纖維適合 800-1500mPa?s），粘度太高（＞2000mPa?s）會導致浸潤不良，可添加稀釋劑（如環(huán)氧丙烷苯基醚，添加量 5%-10%）調(diào)節(jié)。

?紫外固化能量密度 800-1200mJ/cm2（熱固化溫度 120-180℃），不足會導致樹脂未完全固化（Tg＜80℃），過量則樹脂變脆（沖擊強度下降 15%）。

（二）纖維預(yù)處理與界面改性

?表面活化處理：碳纖維經(jīng)等離子體（功率 80W，時間 60s）或氧化處理（硝酸濃度 65%，60℃浸泡 2h），表面羥基含量增加 3 倍，與樹脂的界面剪切強度從 30MPa 提升至 55MPa。

?涂層改性：在纖維表面涂覆偶聯(lián)劑（如硅烷 KH560，濃度 2%-5%），形成 “橋接層”，如玻璃纖維涂覆后與 PP 的界面結(jié)合力提升 40%，適合汽車內(nèi)飾件的輕量化制造。

（三）多尺度結(jié)構(gòu)復(fù)合調(diào)控

?宏微觀協(xié)同增強：宏觀路徑沿受力方向，微觀上在纖維表面引入納米凹坑（直徑 50-100nm），通過 “機械互鎖” 增強界面，如碳纖維經(jīng)納米刻蝕后，復(fù)合材料的沖擊強度提升 35%（從 80kJ/m2 增至 108kJ/m2）。

?混雜纖維設(shè)計：將碳纖維（高強度）與芳綸纖維（高韌性）按 7:3 比例混合，路徑上碳纖維沿 0°，芳綸沿 90°，復(fù)合材料的拉伸強度達 1200MPa，斷裂伸長率保持 5% 以上（純碳纖維僅 2%）。

四、設(shè)備與軟件的關(guān)鍵技術(shù)支撐

連續(xù)纖維 3D 打印的路徑規(guī)劃需設(shè)備與軟件協(xié)同，才能實現(xiàn)精準執(zhí)行。

（一）專用打印設(shè)備特性

?纖維輸送精度：采用伺服電機控制纖維張力（精度 ±0.5N），導絲輪直徑誤差＜0.01mm，確保纖維路徑偏移量＜0.1mm

?多噴頭協(xié)同：配備 3-4 個噴頭（1 個纖維 + 2-3 個樹脂），可實時切換樹脂類型（如結(jié)構(gòu)區(qū)用高強度樹脂，緩沖區(qū)用柔性樹脂），適合功能梯度復(fù)合材料打印。

?在線監(jiān)測系統(tǒng)：通過機器視覺（分辨率 2000 萬像素）實時檢測纖維位置，偏差＞0.2mm 時自動調(diào)整噴頭位置，如航空部件打印的尺寸精度可控制在 ±0.1mm/100mm。

（二）路徑規(guī)劃軟件功能

?受力仿真集成：軟件內(nèi)置有限元模塊（如 ANSYS 接口），可直接導入載荷參數(shù)生成優(yōu)化路徑，如輸入梁的彎曲載荷后，自動生成 0°/45° 混合路徑，效率比人工設(shè)計提升 5 倍。

?曲率平滑算法：對曲面路徑進行 “光順處理”，纖維轉(zhuǎn)向角度每毫米變化＜5°，避免銳角彎曲（＞90°）導致的纖維斷裂，如渦輪葉片的路徑經(jīng)平滑處理后，廢品率從 15% 降至 3%。

?可制造性檢查：自動檢測路徑中的 “不可達區(qū)域”（如小于纖維彎曲半徑的拐角），并生成替代路徑，如復(fù)雜腔體結(jié)構(gòu)的路徑通過率從 70% 提升至 95%。

五、工業(yè)化應(yīng)用的挑戰(zhàn)與突破方向

連續(xù)纖維 3D 打印雖已在小眾領(lǐng)域應(yīng)用，但規(guī)?；a(chǎn)仍面臨效率與成本的瓶頸。

（一）核心挑戰(zhàn)

1.打印效率低下：目前速度多為 30-50mm/s，打印 1m 長的碳纖維部件需 1-2 小時，僅為傳統(tǒng)纏繞工藝的 1/10。

2.纖維種類受限：現(xiàn)有設(shè)備多支持碳纖維、玻璃纖維，對高強度纖維（如碳化硅纖維）的兼容性差（易斷絲）。

3.成本居高不下：設(shè)備價格＞50 萬元，纖維材料成本是傳統(tǒng)工藝的 3-5 倍，制約民用領(lǐng)域應(yīng)用。

（二）突破路徑

?高速打印技術(shù)：開發(fā) “并行噴頭” 系統(tǒng)（4-8 個噴頭同時工作），配合紅外預(yù)加熱（樹脂粘度降低 50%），打印速度可提升至 200mm/s，適合批量生產(chǎn)。

?多纖維適配改造：優(yōu)化導絲機構(gòu)（采用陶瓷導輪）和張力控制算法，實現(xiàn)碳化硅、玄武巖纖維的穩(wěn)定輸送（斷絲率＜0.5%）。

?低成本材料體系：開發(fā)回收碳纖維增強樹脂（成本降低 40%），性能達原生材料的 80%，適合汽車、體育用品等領(lǐng)域。

連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印的核心價值，在于將 “材料設(shè)計” 與 “結(jié)構(gòu)制造” 合二為一。通過路徑規(guī)劃讓纖維 “按需分布”，配合工藝參數(shù)優(yōu)化，可實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝難以企及的力學性能調(diào)控精度。未來 3-5 年，隨著高速打印設(shè)備與低成本材料的突破，該技術(shù)將從航空航天的高端應(yīng)用走向汽車、機器人等民用領(lǐng)域，推動復(fù)合材料制造進入 “數(shù)字化、個性化” 的新階段。對于工程師而言，掌握路徑規(guī)劃與力學性能的關(guān)聯(lián)規(guī)律，將成為解鎖復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵能力。