罗盟：连续纤维复合材料3D打印技术发展及应用趋势

在2024增材制造产业发展论坛暨增材制造产业年会论坛上，深圳协同创新高科技发展有限公司副总经理 罗盟先生，做了题为“连续纤维复合材料3D打印技术发展及应用趋势”的报告。


<连续纤维复合材料3D打印技术发展及应用趋势>
罗盟：尊敬的各位专家、各位来宾，大家下午好！
      今天很高兴在这里就连续纤维目前还没有听到这样一个主题和报告做一个分享。其实我们现在行业里面增材制造大家讨论最多的其实是金属或者说刚才马总提到的一些非金属方向，像以连续纤维为代表的非金属材料这种具有很强的一个高强轻质的特性材料很少出现这样的会场，比较主流的一些舞台上。
近十年的发展时间里面，连续纤维才真正进入大家的视野，一点点星星之火燃烧到现在国内我们可以用自己的装备，用自己的材料、软件打出一片天地的现状。
      今天的话我的报告内容比较多的，可能在时间的限制下会必须快的过一下，从4个方面首先连续纤维的发展背景，技术和产业发展的情况，以及连续纤维当前在我国知识产权情况的分析到最后我们连续纤维复合材料3D打印未来发展到底在哪里？
     首先背景，增材制造整体背景，前面各位前辈专家都已经讲过了包括增材制造的特点大家都很熟悉，其实我在这里还想讲的一个美国国防部还有公司在国外有大量的增材制造材料和样件引用的使用，这些使用过程中有大量的包括3D打印修复套件，实现精准的修复维修，同时全面推广3D打印航空航天等部件为代表的轻量化制造的终端产品，3D打印航天级复合材料成为挑战材料极限非常中西的一个方式。
比如说，我们复合材料里面既然是复合一定是多种材料的集成，那么纤维部分，最核心的就是我们的碳纤维，那么在非金属机体部分，用到ESD这种材料，和碳纤维进行整体的复合，无论是力学性能、耐高温、抗腐蚀性达到非常好的效果，可以承受比如说高真空、热循环等等的一些极端考验。
那么在我们里有一个预测的数据，可以看到左上角的这样一个图，按照美国复合材料增材制造的一个官方数据，在2023年它的全年的这样一个整体的市场规模中复合材料增材制造7.85亿美元，其中包含三大部分主要的构成，分别是硬件比如说装备、材料对于终端的服务，依然以设备、硬件为主的他的占比最高的，那么随着这个占比不断往前推进，那么预测的数据下2033年，我们的硬件和服务基本持平，分别是29.36亿美元和29.28亿美元这样的数据对比。
我们美国有一家公司在做3D打印已经辐射到大量的应用场景当中，也是国内急需推广和学习的点。刚才这张图的话马总报告里面也提到了，技术渗透率不足0.1%，行业第三方报告，也是行业人共知的，跳出过程中成型的这样一个特性，研发小批量、定制化、复杂结构，这所有的一切都是3D打印的刻板印象，真正可以渗透到终端一定是和终端产品直接结合，刚才上一个报告中有一个很好的名词，我们之前叫做大规模制造，然后现在慢慢的从大规模制造转变为规模定制，这个发展路径非常有意思的。
那么随着我们在航空航天还有轨道交通等等领域的复合材料的这样一个不断的探索，新的工艺、新的材料体系逐渐完善起来，在我们国内的应用端不断体现出来，那么复合材料用量成为衡量当前我们这样一些重要的工业装备先进性的核心标准之一。
传统的复合材料制造中比如说我们列了部分的，我们很难摆脱比如说模具制造或者梯度化这样的一些特征，那么在这里我们连续纤维3D打印不是做替代的，是做补充的，主要补充在哪些地方呢？对于热塑性复合材料这样的需求点，具有回收、焊接、复杂结构成形、避免模具和梯度化成型的特点下实现对于先进制造和工艺方法等的系统探究。
那么在2014年的时候，当时在西安交通大学我们团队提出我们国内有没有自己可以做的连续纤维材料3D打印工艺，当时很简单看到这个图最基本，最基础的原始图，我们将热塑性的树脂  材料和纤维通过过程中的温度控制和压力进行实时分布排布，实现过程化成型从而形成我们的三维实体，这个过程中其实我们的速度很慢，我们纤维含量比较低，即使这样的一个比较简单的一个工艺想法，让我们当时在非金属材料特别是塑料的这个领域内的力学性能从最早大家认知里面的百兆帕级别一下上升到三百四百，到现在超千兆帕。
这个过程中有了三方面的技术发展和调整，分别是第一部分是我们的材料成型类别，就是从我们原来的短纤增强的材料发展为连续纤维，我们复合材料的工艺，我们之前的话进行直接的复合结合，现在发展到了直接打印。第三种我们的成型方式。我们对于复合材料整体进展大概做一个介绍，第一个就是我们现在实现多重界面形成多工艺协同强化机理，最大含量超60%，最大的力学强度超千兆帕以上，而且这个千兆帕的力学性能不是最佳的力学性能，有很大的提升空间，意味着不断逼近于我们传统制造的很多复合材料的力学性能需求。
第三个开发对于复杂结构连续纤维多自由度打印的方法，这个方法过程中，很重要的一点就是，我们能够跳出从宏观层面来讲，这样的一个平面铺层式的方式带来的增强力学性能极差的问题，提供了一个很好的解决思路，那么在这个过程中，你比如说通过结构的拓扑，纤维的曲线设计，到曲面或者曲线的纤维的成型，可以从设计端到制造端形成一个三位一体的打通。
那么这样的一些设计，包括我们对于一些细胞单元的设计，纤维在内部的排布，可以从介观到宏观的扩展，最后形成对于未来可能比如说某些程度应用下不能说各项同性避免多个方向的过于异性的性能，可以做一个有效的屏蔽。
这个是我们开展关于连续纤维，我们课题组很重要的一个研究方向，其中还有针对于这种超材料、超结构的阻抗疲惫，包括引伸这样的一些研究，增材制造连续纤维打印，短纤打印有一个很大的特点就是我们可以既可以发挥材料的优势，同时将结构过程中实现我们这样一个最终的需求性能。
这个是另外一个探索，针对机翼的传感，变形的一个检测和预防控制的研究。这里面主要的成型方式也是通过我们的连续纤维来做的一个主体成型。除此之外我们也适配于复合材料，特别是连续纤维打印，当前做到平面和曲面的一些软件的算法和界面开发，实现了我们对于刚才说的平面的打印上的一个路径规划，然后包括我们曲面打印上的一个路径规划算法的研究。
截至目前我们研究层面上做了很多探索，包括高校阶段到企业阶段，在企业这边的话我们现在已经开始从PLA低于两百摄氏度打印温度的树脂到四百摄氏度以上的高熔点树脂全面的覆盖，我们对于成因效率、内部缺陷控制，成型稳定性有极大的提高。
在过我们讨论下面三层的问题，打印速度、综合力学性能和温度精度控制，研究推入产业化的阶段的时候，其实我们的客户特别是国内的连续性复材的客户端永远讨论上面三个问题，下面三个问题托底的，上面三个问题代表上限的，材料软件开源性，材料覆盖性，上游国产材料的适配性，到最后无论零部件还是材料的国产化率都是非常重要方面的一些问题，从2014年到2017年开始做一些研究性的样机投入市场，直到在2020年的时候我们把陕西这部分的产业重点落到了深圳协同创新高科技发展有限公司也是现在所在的公司开始，我们形成了一系列的一个产品型号，和我们的软件配合满足低温到高温，从平面成型到曲面成型的多维度需求完善国产化3D打印的设备和软件的整体上的序列。
这个是我们的一些应用，在汽车、航空、自行车等等方面的应用的一些部分零件介绍，这部分今天在这个报告里面还有第三部分关于国内现在的知识产权的现状，这个是对于我们行业的一个分析，我们是通过关键词和关键点的一些检索，搜索，然后输入之后，我们国内目前的3D打印的首台设备的推出在2010年推出的，西安交大我们课题组推出的，2024年开始在各种终端应用场景露脸了，整个发展过程中，我们按照数据的这样一个增长我们分为三个阶段，第一个阶段我们的萌芽期，这个是非常微少的，这个时候大家还没有意识到连续纤维3D打印可以做什么东西，等我们到了第二阶段的时候这个时间高校、科研院所大量开展的去进行相应的一些工艺设备这样的一些部件上的专利的申请2015年三部委发布的国家增材制造产业发展推进计划中3D打印产业发展上升到了国家战略层面，所以这个时候，新的材料体系和新工艺的这样一个结合，救灾这个时候形成了一个初期的探索型的爆发。
到了第三阶段的2019年至今，我们进入了一个行业的第一个稳定期，这个稳定期代表性的就是2021年工信部发改委8部门联发十四五智能制造发展规划中提出3D打印重要任务，各高校科研院所依然是主体，但是我们注意的是，随着总量申请，企业申请比例大大增加了，所以下一个阶段的专利申请我们即将步入以企业为主体，具有强关联性的产品专利爆发期。
这个是我们这一阶段主要的申请团队的一些的一个介绍和特点，那么同样分析了每个阶段我们主体申请的这样一个专利的类别，比如说第一阶段，我们核心针对的是机体材料类型的扩展，复合材料界面优化和成型精度，第二阶段我们跳过了第一阶段零探索周期之后，我们主要提升在设备相关的专利申请上的，也就是说载体在2015年-2019年第二阶段成为了我们重点讨论的话题，也就是说我们的3D打印机，第三阶段这个时期技术发展逐渐趋于清晰了，还是与设计相关的，设备相关的专利为主，但是同时生产工艺的专利申请有所上升，生产工艺相关的专利上升其实能体现出的问题从设备、材料的早期探索开始和我们的终端应用场景进行密切的配合和结合了。
所以，3D打印中国专利的一个技术发展趋势核心就是围绕在我们材料依然走在路上，设备也还是我们当前的主体，但是我们围绕终端打印的需求在不断的增强和加深。
最后是我们连续纤维复合材料3D打印目前自己内部对接的客户，包括行业里面对接的需求，比如说航空航天，对于复杂构建的一体化结构这个也是我们最早合作的应用领域，我们的低空经济快速的迭代和升级，然后到我们汽车工业生产成本的一个降低，再到我们的具身智能围绕我们的机器人这样的轻度化，梯度化供应集成和智能化的发展阶段，最后到我们的以人体工学为主的体育器材的连续纤维复材3D打印。
连续纤维3D打印有很多的难点和问题，材料、国产化材料的材料匹配稳定性，再到我们的连续纤维以打印和传统制造的纤维含量的上限到底区别有多大再到现在对于刚才提到的性能对于整体3D打印来讲，特别是连续纤维复材料是无法逾越的鸿沟，最后我们的设计仿真能力的这样一个上游技术能不能和我们下游形成一个有效端口对接都是我们非常重要的课题。
以上就是我的报告，欢迎行业专家、领导有问题可以和我们一起进行探讨沟通，谢谢大家。