曼彻斯特大学突破性技术实现高密度连续碳纤维3D打印，助力复合材料性能飞跃

      随着航空航天、汽车及轨道交通等领域对轻量化、高强度结构材料需求的激增，连续碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）的3D打印技术正成为复合材料制造领域的焦点。然而，如何实现纤维路径的连续性、方向对齐与高密度沉积，始终是制约该技术工程化应用的核心瓶颈。近日，曼彻斯特大学机械与航空航天工程学院DML团队提出了一种革新性的路径规划方法，成功攻克这一难题，为高性能复合材料的制造开辟了新路径。
高密度连续碳纤维的3D打印路径生成管线

技术突破：消除歧义，实现“连续+高密度”纤维增强

传统3D打印中，碳纤维路径规划常面临三大挑战：方向不一致性、纤维覆盖率低及应力湍流区处理困难。例如，应力场中主应力方向的歧义性会导致路径折返或中断，而关键区域的纤维对齐往往以牺牲整体密度为代价。曼彻斯特大学团队通过以下创新技术系统性解决了这些问题：

1. 2-RoSy方向场表示：引入二旋转对称（2-Rotational Symmetry）表达方法，消除方向歧义，确保路径方向与主应力场高度一致，避免路径中断。

2. 周期性标量场生成：构造等间距等值线的周期性标量场，导出均匀分布的纤维沉积路径，使纤维覆盖率从传统方法的26.0%提升至87.5%。

3. 复杂结构兼容性：通过孔区域卷绕与高度一致性约束，实现多孔结构（如叶片、支架）的连续路径生成，显著提升应力集中区域的力学性能。

实验验证：力学性能提升显著，失效模式优化

研究团队通过6轴工业机械臂+2轴平台的机器人系统，结合专用连续纤维打印喷头，完成了T-bracket、X-bracket、Blade叶片等多种典型构件的打印测试。实验结果显示：

• 路径对齐精度：纤维路径与主应力方向的平均误差小于1.2°，确保纤维方向与应力流高度匹配。

• 力学性能提升：抗拉强度提升84.6%，刚度提高54.4%，三点弯曲破坏载荷提升140.8%。

• 失效模式改善：扫描电镜观察表明，高密度路径有效抑制层间脱粘与纤维拔出，显著提升材料整体韧性。

工业应用前景：推动结构轻量化与高强度工程

该技术不仅在实验室环境中表现出色，更展现出广阔的工业应用潜力。通过在三维空间中实现纤维与主应力的精准对齐，并结合高密度沉积策略，该方法为航空航天、汽车制造及轨道交通等领域的轻量化设计提供了关键支持。例如，在飞机机翼、汽车底盘等关键部件的制造中，高强度、低密度的碳纤维复合材料可显著降低能耗，同时提升结构安全性。

未来展望：智能化与硬件优化驱动技术升级

尽管当前设备（如喷头结构）仍限制了纤维体积分数的进一步提升，但研究团队指出，未来结合实时传感反馈与优化硬件设计，有望实现更加智能化、高性能的碳纤维3D打印制造。例如，通过动态调整打印参数以适应复杂几何形状，或开发新型喷头以缩短最小可打印路径长度，将进一步推动该技术的工程化落地。

结语

曼彻斯特大学DML团队的这一突破性研究，为连续碳纤维复合材料的制造提供了一个实用、高效的解决方案。通过系统性提升纤维路径的连续性、方向对齐度与沉积密度，该方法不仅大幅提升了材料的力学性能，更为高性能复合材料的工业化应用奠定了坚实基础。随着技术的不断优化，碳纤维3D打印有望在更多领域掀起一场“轻量化革命”。