據(jù)海外市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)所發(fā)布的《增材制造復(fù)合材料2020-2030》報(bào)告顯示，到2030年，整個(gè)復(fù)合材料增材制造市場(chǎng)（材料、硬件、服務(wù)和應(yīng)用）將從2020年的4.8億美元增長到超過106億美元。

該機(jī)構(gòu)對(duì)50多家涉足該領(lǐng)域的公司進(jìn)行了調(diào)查，并收集了該領(lǐng)域所有主要公司的銷售和業(yè)務(wù)活動(dòng)信息，主要研究了增材制造在復(fù)合材料市場(chǎng)中的滲透以及硬件技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，最終評(píng)估了與增材制造在原型、工具和終端用途零件生產(chǎn)中的應(yīng)用。

該報(bào)告發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料銷售將占總收入機(jī)會(huì)的很大一部分。這與其他增材制造材料部門（例如金屬、高級(jí)陶瓷甚至聚合物）有很大的出入，在最終產(chǎn)品中，最終零件的價(jià)值可能比所用材料的成本高十倍以上。在復(fù)合材料中，隨著市場(chǎng)向零件的批量生產(chǎn)邁進(jìn)，預(yù)計(jì)到預(yù)測(cè)期末，該比率將縮小2到3倍。

隨著新的交通工具的發(fā)展，為確?？尚械男屎屠锍趟蕉枰闹亓颗c強(qiáng)度之比，將需要更多地采用金屬復(fù)合材料替換。復(fù)合材料FRP的優(yōu)越性能還將要求比未填充的聚合物更多地使用，因?yàn)楦叩挠布掏履芰山档筒牧蟽r(jià)格。因此所有這些要素都有助于推動(dòng)該細(xì)分市場(chǎng)的顯著整體增長。

在這種趨勢(shì)下，應(yīng)用于復(fù)合材料領(lǐng)域3D打印的新材料、新技術(shù)不斷被開發(fā)出來。

應(yīng)用：波音公司將3D打印復(fù)合材料納入供應(yīng)鏈

高性能的復(fù)合材料3D打印在航天級(jí)別的應(yīng)用越來越多。波音公司近日將一種用于制造飛機(jī)零部件的3D打印復(fù)合材料納入到了供應(yīng)鏈中，該材料具有顯著的輕量化優(yōu)勢(shì)。

波音公司納入到合格供應(yīng)商名單中的3D打印復(fù)合材料是由赫氏（Hexcel）生產(chǎn)的HexPEKK-100材料。

這是一款聚醚酮酮和碳纖維復(fù)合材料，Hexcel開發(fā)了專有的材料配方，打印工藝為選區(qū)激光燒結(jié)（SLS），將被用于制造最終使用的飛機(jī)零部件，例如優(yōu)化設(shè)計(jì)的支架、復(fù)雜管道，以及替代部分鑄造件。

這種復(fù)合材料比鋁輕50％，是一種可替代金屬的輕量化工程級(jí)材料，該材料具有優(yōu)異的溫度耐受性和耐化學(xué)性，并具有良好的機(jī)械性能，能夠滿足飛機(jī)內(nèi)部煙霧和毒性要求（ULVO，OHS）。與傳統(tǒng)的鋁加工或復(fù)合材料加工相比，Hexcel將通過3D打印技術(shù)與HexPEKK材料提供高效的連續(xù)零件生產(chǎn)，有助于縮短交付周期，降低復(fù)雜部件的生產(chǎn)成本。

PEEK（聚醚醚酮）作為一種高熔點(diǎn)半晶態(tài)工程塑料，因其良好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性能，以及優(yōu)異的力學(xué)性能和生物兼容性而受到航空、航天、汽車工業(yè)以及醫(yī)療等各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)注和研究。

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PEEK（CCF/PEEK）復(fù)合材料通過傳統(tǒng)的熱壓技術(shù)而制成的高性能制件在20世紀(jì)已經(jīng)被應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。然而受限于制造方式，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件依然無法通過該方式獲得，這也成為約束CCF/PEEK復(fù)合材料應(yīng)用的一個(gè)至關(guān)重要的難題?，F(xiàn)在可以通過3D打印的方式，將以前有合適的材料，沒有合適的技術(shù)的遺憾彌補(bǔ)。通過3D打印解決了這一難題。

傳統(tǒng)復(fù)合材料行業(yè)中的許多人質(zhì)疑，3D打印的連續(xù)纖維復(fù)合材料具有如此低的纖維含量和如此高的打印層之間的分層可能性，如何與傳統(tǒng)復(fù)合材料競爭。Logtenberg對(duì)此表示贊同。“當(dāng)然，z方向強(qiáng)度是3D打印復(fù)合材料最具挑戰(zhàn)性的因素之一。我們目前沒有與傳統(tǒng)復(fù)合材料競爭。我們相信，未來我們將能夠與傳統(tǒng)復(fù)合材料競爭，因?yàn)槲覀兊纳a(chǎn)完全自動(dòng)化，但我們還有很長的路要走。目前，它是當(dāng)前制造方法的補(bǔ)充，提供了靈活性和開放式設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)可能性?！?/p>

材料：3D打印金屬基復(fù)合材料-含碳纖維的液態(tài)金屬

一項(xiàng)發(fā)表在《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》的研究記錄了一個(gè)研究小組為結(jié)合金屬和增強(qiáng)纖維的不同性能而采用的3D打印MMC的方法。

來自陜西省快速制造技術(shù)工程研究中心的研究人員將錫鉛與碳纖維結(jié)合起來，一方面探索利用鉛的輻射屏蔽性能，另一方面利用碳纖維強(qiáng)度的可能性。同時(shí)，這項(xiàng)研究試圖展示鉛的3D打印能力，以前由于鉛的潤濕性（液態(tài)時(shí)無法粘在固體表面）而很難實(shí)現(xiàn)。

FTP 流程概述。圖片由《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》提供。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)依靠具有更好潤濕性的液態(tài)錫鉛。通過一種被稱為纖維牽引打印（FTP）的工藝，將電鍍有鎳和銅的碳送入擠出機(jī)，再將其浸入熔融的錫鉛，并使用類似于Markforged，Anisoprint現(xiàn)有復(fù)合3D打印機(jī)的材料擠壓工藝進(jìn)行打印。

研究人員對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了多次觀察。例如，由于液態(tài)金屬的表面張力，研究人員無法從理論上計(jì)算出如何實(shí)現(xiàn)形態(tài)均勻性。但是，該團(tuán)隊(duì)能夠確定打印速度和沉積均勻性之間的實(shí)際關(guān)系。盡管電鍍程度更高的碳纖維沒有顯示出可觀察到的缺陷，但在液態(tài)金屬和纖維之間的潤濕性也較低，且鍍層較厚。

研究表明，通過將液態(tài)金屬與碳纖維結(jié)合，不僅可以將液態(tài)金屬模制成所需的形狀，而且還可以改善低熔點(diǎn)合金（如錫鉛）的機(jī)械性能。當(dāng)使用帶有3微米電鍍層的碳纖維時(shí)，錫鉛材料的抗拉強(qiáng)度從33.3MPa增加到235.2MPa。隨著電鍍層厚度的增加，纖維體積也增大。

3D打印鉛的功能可能會(huì)導(dǎo)致需要輻射屏蔽的獨(dú)特部件，如航天器。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，F(xiàn)TP流程可以擴(kuò)展到其他MMC，如碳纖維鋁和碳纖維鎂。

由于金屬基復(fù)合材料幾乎總是比它們要替代的傳統(tǒng)材料更貴，因此通常只用于高端應(yīng)用，如高性能刀具（碳化鎢）、跑車（碳纖維和碳化硅、碳化硼鋁）、電子產(chǎn)品（銅銀和鉆石，鋁石墨），和航空航天（碳化硅纖維和鈦）。同樣，由于規(guī)模的問題，增材制造也經(jīng)常保留給高端的短期應(yīng)用程序。反過來，隨著打印MMC能力的提高，預(yù)計(jì)這兩個(gè)領(lǐng)域可能會(huì)有更大的重疊。

到目前為止，許多機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行打印MMC的研究，包括加利福尼亞州立大學(xué)，該校的一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在用陶瓷3D打印鈦合金。AGH大學(xué)，將Inconel625和碳化鎢結(jié)合在一起；迪肯大學(xué)（DeakinUniversity），將氮化硼和鈦混合在一起。

技術(shù)：無需后固化，經(jīng)濟(jì)高效3D打印碳纖維復(fù)合材料

纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料具有許多有用的性能，但其最大的缺點(diǎn)是其制造復(fù)雜且成本昂貴。來自特拉華大學(xué)的工程師團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種3D打印技術(shù)，可對(duì)連續(xù)碳纖維和熱固性聚合物，以低成本、靈活的方式來打印制造纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料制品。

特拉華大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)的新 3D 打印方法示意圖：加熱器接觸碳纖維并沿碳纖維移動(dòng) 以產(chǎn)生動(dòng)態(tài)溫度梯度，從而觸發(fā)分配的液體聚合物注入并固化碳纖維結(jié)構(gòu)。

研究人員表示：“這可以說是首次業(yè)界實(shí)現(xiàn)了連續(xù)碳纖維和熱固性復(fù)合材料的3D打印。”據(jù)介紹，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種名為局部平面內(nèi)熱輔助（ocalizedin-planethermalassisted，簡稱LITA）的3D打印方法。它允許用戶控制液體聚合物固化成指定形狀所需的厚度和固化程度。

在LITA3D打印中，研究人員小心地控制碳纖維的溫度，幫助液態(tài)聚合物流入碳纖維之間的通道。然后，聚合物固化成三維結(jié)構(gòu)。LITA3D打印不需要后固化，與傳統(tǒng)的需要數(shù)十小時(shí)后固化的復(fù)合材料相比，可以節(jié)省大量的能源。

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，包括一個(gè)獨(dú)特的打印頭和自動(dòng)機(jī)械手臂。這臺(tái)定制的3D打印機(jī)允許小組打印各種形狀和結(jié)構(gòu)。LITA3D打印可以為許多行業(yè)提供一種快速、節(jié)能的方法，使用各種聚合物和纖維的組合來制造各種形狀的復(fù)合組件。

產(chǎn)品：3D打印一體式碳纖維電動(dòng)自行車

總部位于硅谷的自行車品牌Superstrata日前推出了其旗艦產(chǎn)品，這是全球首款采用抗沖擊一體式碳纖維車架的3D打印電動(dòng)自行車。

Superstata標(biāo)榜的是一個(gè)真正的一體式結(jié)構(gòu)，由連續(xù)的碳纖維-熱塑復(fù)合材料一次性3D打印而成。其他碳纖維自行車的車架是用幾十個(gè)單獨(dú)的零件用膠水和螺栓連接在一起，并由上一代熱固性復(fù)合材料制造而成，而Superstrata的車架沒有接縫，也沒有使用膠水，可以實(shí)現(xiàn)無縫結(jié)構(gòu)。它還采用了下一代熱塑性材料，使其具有極高的抗沖擊性，但重量卻非常輕。

Superstata采用先進(jìn)的3D打印工藝，可實(shí)現(xiàn)前所未有的定制化。車架可以根據(jù)騎手的身高、重量、臂長和腿長、乘坐位置，甚至是偏好的硬度水平進(jìn)行定制。Superstata擁有超過50萬種可能的組合，是有史以來最通用的碳纖維自行車。

“這款自行車的設(shè)計(jì)是為了充分利用這項(xiàng)新制造技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)，以達(dá)到強(qiáng)度和輕便性的最佳效果?！鲍@獎(jiǎng)自行車設(shè)計(jì)師、Superstata背后的創(chuàng)意力量BillStephens說。