3D打印连续纤维增强树脂基复合材料的研究进展

Research progress in 3D printing of continuous fiber-reinforced resin matrix composites

摘要

连续纤维增强树脂基复合材料因其密度低、力学性能优异被广泛应用于航空航天、汽车和船舶等工业领域，传统制造工艺因模具限制成本高昂且无法成型复杂零部件。增材制造设计自由度高、快速灵活等优点被认为是连续纤维增强复合材料未来生产的重要方向之一。目前连续纤维增强复合材料的增材制造技术发展仍处于起步阶段，本文系统综述了连续纤维增强树脂基复合材料的研究现状，概述了打印的装备、工艺、材料的研究进展，为连续纤维增强树脂基复合材料的打印平台搭建以及工程化应用提供了方向，重点分析了打印温度、打印速度和打印层厚等工艺参数对打印质量的影响，为连续纤维增强复合材料的智能增材制造提供参考，同时讨论了连续纤维的二维和三维的结构设计在轻量化制造方面的发展，如纤维路径铺设和结构拓扑优化，并对连续纤维增强复合材料增材制造的设备、材料、打印工艺和结构设计的研究发展趋势进行了总结和展望。

Abstract

Continuous fiber-reinforced resin matrix composites are widely used in aerospace， automotive and marine industries due to their low density and excellent mechanical properties. However， traditional manufacturing processes are expensive and unable to form complex parts due to mold limitations. Additive manufacturing has the advantages of high freedom of design， rapidity， and flexibility，and is considered an important directions for the future production of continuous fiber reinforced composites. At present， the additive manufacturing technology of continuous fiber reinforced composite is still in its infancy. This paper systematically reviews the research status of continuous fiber reinforced resin matrix composite， summarizes the research progress of printing equipment， process and materials， and provides directions for the construction of printing platform and engineering application of continuous fiber reinforced resin matrix composite. The influence of printing process parameters， such as temperature， speed， and layer thickness on printing quality is analyzed， providing a reference for the intelligent additive manufacturing of continuous fiber reinforced composite materials. Meanwhile， the development of the two-dimensional and three-dimensional structural design for continuous fibers for lightweight manufacturing， such as fiber path laying and structural topology optimization is discussed. The research trends of equipment， materials， printing process， and structural design for additive manufacturing of continuous fiber-reinforced composites are summarized and outlooked.

Graphical abstract

关键词

连续纤维 / 树脂基 / 增材制造 / 工艺参数 / 结构设计

Key words

continuous fiber / resin-based / additive manufacturing / process parameter / structural design

连续纤维增强树脂基复合材料（continuous fiber reinforced plastic composite，CFRPC），以树脂为基体，以连续纤维为增强体，具有高强度、高刚度、轻质化、良好的耐腐蚀性、高温性能和抗疲劳性能等优势，广泛应用于航空航天、汽车、船舶和体育器材等领域^［1-2］（图1）。虽然CFRPC具有多项优势，但当前其制备方法主要包括高温及高压固化，其在生产工艺上存在一些局限性。CFRPC的传统制造，常使用编织布或预浸料作为原材料，通过裁剪以手工的方式对其进行铺放，因此纤维排列的自由度小。连续纤维复合材料具有各向异性，因此铺层设计是复材制备的关键因素^［3-4］。同时，CFRPC的传统工艺类型多样，如模压成型、热压罐成型、缠绕成型和拉挤成型等，对设备要求高，尤其是温度场控制是影响成型的核心关键，导致成型周期长、模具标准严格，成本居高不下，形状复杂的零部件制造困难甚至无法完成^［5-8］。此外，由于制造过程受到纤维取向、树脂浸润等多个因素的影响，实现生产过程中的质量一致性和可重复性是一个挑战。

新工艺和材料的开发使得连续纤维增强复合材料的制造变得更加高效、可靠和经济。增材制造技术（additive manufacturing，AM）由于设计自由度高、资源利用率高以及快速制造和灵活性等优点被认为是CFRPC未来生产的重要方向之一^［9-11］。当前国外3D打印CFRPC的研究热点包括多尺度的结构设计、多材料的复合打印、可持续性和环境友好型材料开发，同时也有研究人员关注开发新型连续纤维材料和改进打印设备，以推动连续纤维复合材料的应用。在国内研究人员也积极开展相关研究，一些热点方向包括连续纤维定向控制、纤维与基体的界面结合、高性能连续纤维材料制备和智能化的工艺检测调控。增材制造技术在CFRPC的制造中具有广泛的应用。常见的应用形式有通过3D打印复合材料零件对航空航天以及汽车领域破损的部位实现修复；利用碳纤维高强度和耐磨性的特点制作模具来承受复杂的成型和固化过程；通过切片软件对纤维的取向和分布进行局部优化进行零件轻量化设计；通过快速打印复杂形状的原型零件进行快速验证和迭代设计，减少产品开发过程中的时间和经济成本。

增材制造技术为CFRPC提供了更多的设计自由度和制造灵活性，实现更高性能、更复杂形状零件制备。随着技术的发展，增材制造在CFRPC领域的应用将继续扩大。本文概述了CFRPC的打印原理、打印设备和打印材料，为国内外打印平台的搭建和工业化推广提供了方向，同时探讨了打印工艺参数对打印质量的影响以及轻量化结构的设计思路。

1 CFRPC增材制造方式及原理

AM技术已成为先进快速制造领域最有前途的技术之一。它具有节约成本、生产效率高等优点，可用于制造形状复杂的零件。CFRPC的打印方式主要有以下几种方式：熔融沉积制造（fused deposition manufacturing，FDM）和立体光刻（stereolithography，SLA）。FDM是将熔融的树脂与纤维丝材通过喷嘴逐层沉积在工作平台上，形成复合材料零件结构^［12-13］。SLA是将连续纤维添加到树脂中，使用紫外线激光或光束照射液体树脂使其固化成形^［14］。在众多的AM方法中，FDM由于生产效率高且成本低廉，是最广泛应用的制造方法之一，因此下文CFRPC增材制造的方式和原理介绍主要围绕FDM展开。

FDM可用于生产连续纤维增强热塑性或热固性复合材料。在热塑性树脂中，FDM根据连续纤维的打印状态一般可分为浸渍和预浸渍两种形式。浸渍的过程中，连续纤维原丝在打印头外浸渍和打印头内浸渍被分别称为在线浸渍和原位浸渍，同时基于打印头的数量也会有单喷头和双喷头两种结构。图2（a）为单喷头在线浸渍，连续纤维通过喷头外树脂容器，均匀包裹热塑性树脂，加热过程中树脂流动逐渐进入纤维内部，然后冷却逐层沉积在基板上，该方法优势在于设备搭建简单，整体的工艺成本较低，同时纤维可以层层铺设，但是由于纤维浸渍树脂到打印时间较短，树脂与连续纤维的界面结合弱，同时由于外界温度和湿度等因素的影响，打印质量难以稳定控制^［15］。图2（b）双喷头在线浸渍在图2（a）的基础上增加一个树脂的打印头，该方法优势在于打印过程中更好地控制树脂与纤维比例获得不同纤维含量的打印件，缺点则是连续纤维只能沉积在预定层^［16］。图2（c）单喷头原位浸渍通过在喷头侧面送入热塑性树脂线材，连续纤维原丝和树脂在喷头内部加热的过程中熔融结合，该方法优势在于打印设备更加精简，树脂材料以线材方式打印更易保存，但熔融时间短导致连续纤维与树脂界面结合差^{［15，17，19-20］}。双喷头原位浸渍如图2（d）所示增加了一个树脂喷头，提高打印过程中纤维含量的容错率^［19］。通过前置工艺制备连续纤维预浸丝材可以获得界面结合较好的打印材料，图2（e）为连续纤维预浸丝材直接打印，预浸丝材通过加热直接沉积在基板上，二次浸渍加强界面结合，但前置工艺增加时间和经济成本，同时预浸渍的线材如果包裹树脂不均匀，打印过程中易出现纤维断裂和毛刺^{［9，18，20-23］}。在此基础上，连续纤维预浸丝原位浸渍的工艺可以一定程度上解决以上问题，如图2（f）所示^［15］。对于热塑性树脂制备的连续纤维预浸丝材，双喷头连续纤维预浸丝打印在图2（e）的基础上多一个树脂喷头，增加纤维含量的可调性以及树脂与树脂之间界面结合，美国的Markforged公司打印机就以此为原型，如图2（g）所示^［24］。而对于热固性树脂制备的连续纤维预浸丝材，加热树脂并不会熔融，需要在其表面浸渍热塑性树脂，图2（h）双喷头连续纤维预浸丝材打印可以解决这个问题^［25］，俄罗斯Anisoprint的连续纤维共挤出（continuous fiber co-extrusion，CFC）就是以此为原型。

对于FDM形式的CFRPC增材制造大多数应用于热塑性树脂，热固性树脂由于力学性能比较差同时不能回收，应用范围有限，常见打印方法有原位固化（图2（i）），使用热固性树脂制备连续纤维预浸丝材在打印过程中，热固性树脂会通过喷嘴或挤出头逐层打印，通过热能源（如紫外线光束或热源）来引发固化反应使树脂成型^{［17，26］}。

2 CFRPC增材制造专用设备

基于不同打印原理，市面上打印机类型也是多种多样，主流商业连续纤维打印机如表1所示。国外对于连续纤维3D打印设备的研究开始较早，2016年初美国Markforged公司成功研发Mark Two，该机型采用双喷头结构打印CFRPC或连续纤维和树脂材料，可选的打印丝材基体包含尼龙和短切纤维增强尼龙，增强体包括碳纤维预浸丝材，玻璃纤维预浸丝材和凯夫拉预浸纤维等，2017年推出了工业级Mark X7打印机，配备了强化的双喷嘴系统和微米级的激光检测系统，可以扫描打印中的零件来保障尺寸精度。2019年美国3D打印机制造商Desktop Metal推出Fiber自动纤维放置复合3D打印机，该机型打印头采用闭环热控制，可沉积低孔隙率的连续纤维增强材料，而基体打印头可实现高分辨率外壳。同年俄罗斯Anisoprint公司推出Composer系列连续纤维打印机，包含A4和A3两款机型，该机型在打印的过程中针对预浸渍的连续纤维会增加一种黏合剂材料，使得预浸渍纤维与基体结合。对于大尺寸部件，荷兰CEAD公司推出了大型CFAM Prime 3D打印机，2 m×4 m×1.5 m的构件尺寸被认为是欧洲最大的连续纤维3D打印机。对于汽车、航空、航天领域大型零部件，各家也在工业级设备上积极探索，2021年美国Markforged公司发布了一款用于工业强度终端零部件生产的3D打印机FX20，该机型是为扩大全球分布式生产而设计的，它的精密设计和传感器驱动提供了突破性的精度和质量，对比现有的复合打印机系列拥有8倍的打印速度和5倍的构建量。与此同时，Anisoprint团队也于2021年推出了工业级打印机PROM IS 500，具有最多4个可互相切换打印头，打印点阵结构的同时可以自定义纤维轨迹设计，自动校准系统、温湿可控的材料存储仓、恒温仓加热系统等保证PROM IS 500可在工厂环境下24 h连续运行。

我国针对CFRPC的3D打印设备研究尚处于起步阶段。2022年苏州同异三维公司推出国内首款准工业级CFRPC 3D打印机T420，填补了国内在该技术领域的空白，同时在2023年再次推出国内首台大尺寸、高温、工业级连续碳纤维3D打印机Y600以及桌面级设备T300，Y600成型体积达到了120 L，远超同级别进口设备，打印温度高达450 ℃，具备高达200 ℃的腔体温度和250 ℃的平台温度，设备采用了西门子SIMATIC T-CPU的高精度控制，实现高精度、高速度、高稳定性打印。T300针对高校科研院所、企业研发需求，促进增材制造复合材料领域“材料-工艺-结构-性能”研究。陕西非凡士公司也于2022年推出COMBOT-400工业级连续纤维3D打印机，该机型成型尺寸为400 mm×400 mm×400 mm，喷头温度可至300 ℃，打印头采用双喷头结构设计，分别打印支撑结构与复合材料实体，2023年又推出COMBOT-200桌面型CFRPC 3D打印机，主要用于打印“一笔画”结构特征复合材料零件，设备成本低，材料种类不受限，工艺参数可调，设备软硬件开源性强，允许用户进行二次开发，适用于研究所、高校等科研单位进行技术开发与探索。2023年深圳协同高科公司也推出了连续纤维3D打印机YJ-F400，可实现410 ℃高温塑料打印，同时自研的切片软件BaizeSoftware具有多线程数据处理、内存优化等功能。我国的连续纤维3D打印设备逐渐进入快速发展的阶段，从最初的打印机制造到现在配套的材料研发，切片软件自主开发，人工智能的融合发展，构建一体化的打印平台，填补国内连续纤维复材3D打印多项技术空白，实现进口装备国产替代。

3 CFRPC打印用材料体系

复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，其中包括基体材料和增强材料，并且组元之间存在明显的界面，如图3所示^［27-29］。

增强体是复合材料中的离散相，其主要作用是增加材料强度、刚度和其他特定性能，纤维增强复合材料包含短切纤维复合材料和连续纤维复合材料，短切纤维复合材料在增材制造领域相对成熟，将短切纤维与基体混合再通过相应的方式挤出，整体的工艺相对简单且在一些领域已实现工业化应用^{［20，30-34］}。短切纤维的添加虽然在一定程度上增强了材料的力学性能，但是纤维的特性决定了连续纤维的形式才能大幅度提升复合材料的力学性能，同时短切纤维增强复合材料的制备过程中纤维极易出现团聚现象，进而严重影响复合材料的整体力学性能，因此CFRPC的增材制造是学者们探索的主要方向之一，常见的连续纤维增强体有碳纤维（carbon fiber， CF）^［35-36］、玻璃纤维（glass fiber， GF）^［37-40］、凯夫拉纤维（Kevlar fiber， KF）^［41-43］、玄武岩纤维（basalt fiber， BF）^［44-48］等。基体是复合材料的连续相，其主要作用是包围和支撑增强体，并将其固定在一起。CFRPC增材制造的基体材料有热塑性树脂和热固性树脂，相比热固性树脂，热塑性树脂由于成本低、加工简单且可重复利用等优点在增材制造领域应用更加广泛，常见的如尼龙（nylon，PA）^［49-50］、聚乳酸（polylactic acid，PLA）、聚苯硫醚（polyphenylene sulfide，PPS）、聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）^［51-52］、聚醚酰亚胺（polyetherimide，PEI）^［53-54］等。相关材料打印特性如表2所示^［30-53］。

目前FDM形式增材制造的打印材料一般为线材，因此制丝设备和工艺参数对于制备直径均匀、性能稳定的CFRPC打印线材来说至关重要^{［16，55］}。CFRPC的一些常用基体树脂材料如表3所示^［56-65］，增强体纤维材料如表4所示^{［56-57，62，65-66］}。

4 CFRPC增材工艺对成形性能的影响

CFRPC增材工艺一般包括成形工艺和路径规划。成形工艺是材料在打印过程中的各项设备参数，主要包括打印温度、打印速度和打印层厚三个方面。打印温度即打印头和基板的工作温度，温度的选择通常会考虑纤维和树脂的熔点和软化点以及打印头和基板的最高温度限制，一般选择熔点和软化点之间的范围以便纤维和树脂充分浸润。打印速度是指打印头在工作平台移动的速度，速度的选择要充分考虑材料特性和实际生产效率，既要使纤维和树脂充分浸润获得良好的打印精度，同时也要在质量保证和设备允许的前提下提高打印速度。打印层厚是材料在沉积过程中每一层的厚度，层厚的选择是精度与效率之间的平衡，在保证打印分辨率的前提下层厚增加会提升打印效率。路径规划是根据实际的零件形状和工况需求，在切片软件中设置连续纤维的铺设层数以及每一层的纤维路径，转换成G代码导入打印机中实现纤维预设的路径方案。

4.1 成形工艺参数对成形后性能的影响

4.1.1 打印温度

打印温度是连续碳纤维增强树脂基复合材料（continuous carbon fiber reinforced composites，CCFRC）增材制造的过程关键参数。从成形能力角度，温度直接影响树脂熔融流动性和粘接能力，是保障能够成形的基础，温度过低导致树脂分子链无法充分扩散，左右和上下沉积单层界面结合效果差；从制造效率角度，打印温度和打印速度在一定程度上有所关联，温度太低会降低打印的效率，温度太高又会导致树脂大分子链开始分解从而力学性能降低^［67-68］；从材料本身角度，连续纤维的性能也会在一定程度上受打印温度的影响，过高的温度可能会导致纤维的热老化或者降解，从而降低其强度和刚度。Maqsood等^［69］通过制备不同温度下的CCFRC拉伸试样和弯曲试样，测试发现拉伸实验中随着打印温度在200~230 ℃之间升高，拉伸强度和杨氏模量也随之提升，并且在230 ℃达到最高，分别为218.19 MPa和28.56 GPa（图4（a）），弯曲实验的结果也是如此，随着打印温度的升高，试样的弯曲强度和模量在230 ℃达到最高，分别为172.27 MPa和13.71 GPa（图4（b）），说明在一定的温度范围内，打印温度的提高可以增加树脂的流动性使其充分包裹连续纤维，纤维与树脂之间的界面结合更紧密从而减少试样内部的孔隙缺陷，力学性能因此获得提升。

Yang等^［22］制备了不同打印温度下连续碳纤维增强聚乳酸复合材料的拉伸试样。结果表明，拉伸强度随着打印温度先增加后减小。温度从200 ℃增加至240 ℃时，拉伸强度增加，并在240 ℃达到最大值224.3 MPa，在240~260 ℃温度区间拉伸强度呈下降趋势（图5（a））。其原因在于较低的打印温度会降低树脂的流动性，树脂不能充分包裹纤维导致间隙明显，拉伸时纤维拔出导致试样在加强片的边缘位置断裂（图5（b）），载荷传递在孔隙缺陷处出现应力集中；温度升高可以有效改善此问题，打印温度为240 ℃时树脂的流动性大幅度提高，在沉积的过程中充分浸润连续纤维，纤维与树脂的界面结合充分，试样拉伸时在中间处呈现完整断裂，载荷能够均匀地沿纤维方向进行传递从而实现有效断裂（图5（c）），随着温度达到临界值，树脂大分子链热运动使分子间断裂率增加，试样拉伸性能大幅度下降。

CFRPC存在温度-界面-性能的调控模型，打印温度影响纤维与树脂之间的界面结合从而决定其力学性能，打印温度需要综合考虑材料的熔点、热传导性、热膨胀系数和热稳定性等，一般在熔点以上，打印温度越高，树脂的流动性越好，纤维与树脂的界面结合越紧密，力学性能也随之提升，超过热稳定极限值温度后，树脂大分子链分散易断裂导致纤维与树脂的界面结合差，打印温度的选择可以先参考材料的技术数据表，然后通过实验验证以获得最佳的打印效果和力学性能。

4.1.2 打印速度

打印速度影响复合材料组元间的粘接强度，速度过快挤出的复合材料不能有效压实，沉积路径之间的粘接强度得不到保障。同时较快的打印速度会使挤出的树脂流动不稳定，引起表面质量的不均匀性，沉积路径边缘不平整导致相邻树脂间的界面结合不规则，出现孔隙缺陷，打印件的力学性能下降^［70］。此外，打印速度会影响打印成功率，较慢的打印速度可能使喷头内出现堆积堵塞的情况，较快的打印速度可能导致纤维在牵引力作用下发生断裂的现象^［71］。因此打印速度需要根据材料和设备的参数灵活选择，减少冷却速率和热残余应力的积累，确保CFRPC打印件的尺寸稳定性，在打印质量和打印效率之间找到平衡点。

Pappas等^［72］采用单喷头原位浸渍的方法制备不同打印速度下纯PLA和CCFRC的弯曲实验样品，打印速度分别为400，600，800 mm/min和1000 mm/min，发现纯PLA的试样尽管打印速度有增加，但是整体的弯曲强度和模量变化很小，而添加了连续碳纤维的试样，弯曲强度和模量都随着打印速度的增加呈现明显的下降趋势（图6（a）），这是因为随着打印速度的增加，沉积的过程中树脂与纤维的结合时间过短导致部分纤维没有浸渍树脂从而出现孔隙，加上本身的设备采用的是原位浸渍的方法，纤维与树脂的浸渍行程只有加热块到喷嘴的距离，不能充分形成界面结合，所以打印速度的提升会明显增加打印过程中的孔隙缺陷（图6（b）），PLA与连续碳纤维的界面结合差从而导致打印件的力学性能下降。在400 mm/min打印速度弯曲试样横截面微观图中发现连续纤维排列整齐，树脂也充分流入纤维之间进行包裹（图6（c）），而600 mm/min打印速度时纤维与树脂之间没有填满的孔隙数量开始增多（图6（d）），到了1000 mm/min打印速度时这种现象更为明显，甚至纤维之间由于较大的孔隙产生裂纹，这也是试样力学性能大幅度下降的原因（图6（e））。

Akhoundi等^［73］通过制备连续玻璃纤维增强聚乳酸复合材料来探究连续纤维增强复合材料的打印速度优化问题，首先计算假设得到不同打印速度下温度与喷嘴的行程距离的函数（图7（a）），以此来推测打印速度最大的温度区间，发现速度为2 mm/s和4 mm/s时打印的样品形状规整，这是因为速度小于2 mm/s时树脂的温度低于熔点，因此在拐弯处产生的半径较小，反之速度太快如10 mm/s以上，此时温度在熔点以下，未熔融的树脂和纤维的张力导致纤维在角落的半径增大（图7（b））。在转角处使用更慢的打印速度发现半径虽有减小但幅度很小（图7（c）），转角和边缘的打印速度与打印时间成反比（图7（d）），转角和边缘的打印速度与转角半径成正比（图7（e）），因此在打印质量有所保障的前提下可以加快一定的打印速度，同时对于不同的路径设置不同的速度来进一步提升打印效率。

CFRPC存在速度-精度-性能的调控模型，打印速度影响材料沉积过程中纤维与树脂的浸渍时间与效果从而影响其力学性能，需要综合考虑打印材料、打印时间和材料利用率，打印速度越快，树脂在沉积过程中浸渍纤维的时间越短从而界面结合差产生孔隙缺陷，同时连续纤维在拐角处会发生偏移影响打印精度，导致力学性能下降。打印速度的选取其实是高质量打印和快速打印之间的取舍，对于强度足够的零件结构可以提高打印速度大幅度增加打印效率，对于负载要求高且纤维铺设精细的零件部位可以降低打印速度获得更好的打印精度和质量。

4.1.3 打印层厚

打印层厚是影响打印精度的一个关键参数，较小的打印层厚可以提供更高的分辨率，使得零件的表面更加光滑，同时增加了纤维与树脂每一层的界面结合，获得更好的力学性能，但同时较小的打印层厚会增加打印层数，从而降低打印效率^{［57，74］}。Zhang等^［75］制备了打印层厚为0.25，0.3，0.35 mm和0.4 mm的CCF/PLA弯曲试样，试样结果表明随着打印层厚的增加，试样的弯曲强度和模量呈下降趋势（图8（a）），这是由于打印层厚的增加会降低复合材料沉积过程中的粘接力，从而导致层内和层间孔隙含量增加，降低力学性能（图8（b））。Kumekawa等^［76］制备了PGA/PLA复合材料的拉伸试样，实验结果表明随着打印层厚的减小，拉伸试样的孔隙率随之减小，这是由于Z向高度相等时，打印层厚减小会导致纤维与树脂的沉积间隔更小，树脂与纤维打印的过程中喷嘴会有一个压力作用从而增加界面结合，而纤维含量和拉伸强度随之增大（图8（d））。Aihemaiti等^［77］制备了CCF/PA的打印样品，评估了0.07，0.12 mm和0.20 mm的样品横截面图像，发现打印层厚太小反而会导致连续纤维复合材料的孔隙增加，出现这种现象的原因是打印的过程中喷嘴会对沉积的材料进行剐蹭，打印的实际层厚是小于理论层厚，在下一层沉积的过程中树脂的层间结合之间会出现中空区域导致孔隙增加（图8（c）），试样的力学性能也随之下降。Le Duigou等^［78］制备了CLF/PLA复合材料的拉伸试样，测量不同打印层厚下实际样品单层厚度，发现与切片理论厚度存在差异，当理论层厚在0.3 mm以下时实际层厚总是大于理论层厚，会出现材料过压实的情况，理论层厚在0.3 mm以上时实际层厚总是小于理论层厚，会出现欠压实的情况，两种都会使打印件产生较多的孔隙缺陷从而影响力学性能（图8（e））。

CFRPC存在层厚-界面-性能的调控模型，打印层厚影响材料之间的沉积间隔从而影响其力学性能，打印质量随着打印层厚的增加先提升再降低，这是因为层厚太小会使喷嘴在沉积过程中剐蹭树脂产生孔隙缺陷，合适的层厚可以形成良好的界面结合从而提升力学性能，层厚过大会丧失打印精度，同时纤维与树脂之间因结合不紧密造成性能降低，打印层厚的选择是一个平衡各方面需求的过程，可以通过实验和测试确定最佳层厚。

4.2 CFRPC增材制造路径规划

路径规划是CFRPC增材制造中的重要参数，连续纤维在铺设的过程中的取向和含量直接影响复合材料打印件的力学性能，同时也是其轻量化发展的主要方向。路径规划分为二维拓扑优化和三维轻质结构，二维拓扑优化是通过基于数学模型和优化理论的算法确定纤维的最佳分布，优化过程中需综合考虑强度、刚度、韧性和疲劳寿命等并实现不断迭代。三维轻质结构是通过机械臂或辅助模具实现连续纤维三维空间的自由铺放，对于一些曲面的复杂零部件可以实现强度和质量的进一步提升。

4.2.1 二维拓扑优化

在CFRPC的增材制造中，二维结构设计可以通过改变纤维的几何形状和叠层顺序在强度符合的前提下，进一步减少连续纤维的用量，提高材料的利用率。二维结构拓扑优化的方向可以是纤维几何形状的优化，充分利用增材制造的自由度，针对特殊应用需求，设计出复杂且具有优异性能的几何形状^{［50，79-83］}。同时纤维的叠层顺序在设计过程中也是很重要的，通过合理安排纤维的方向和顺序，可以控制部件的刚度、强度和热膨胀性能，而且可以避免应力集中，提高材料的利用率，并增强零件的整体性能。在增材制造的过程中，支撑结构的设计对于成功打印复杂形状的零件非常重要，在设计二维结构时，需要考虑支撑结构的布置和优化，以确保制造过程中的稳定性和成功率。Wang等^［84］提出了一种基于载荷的CFRPC的3D打印路径规划，采用拓扑优化对负载传输路径进行重新排序和提取，然后利用应力矢量跟踪算法，从提取的几何矢量和应力矢量特征中生成CFRPC的连续载荷相关打印路径，同时制备了流线法、偏移法和等距法的CCF/PA的L型试样（图9（a）），结果表明偏移法和等距法都存在几何填充图案缺陷和打印路径不连续从而影响力学性能，流线法在保证强度的前提下实现了沿载荷传递路径打印连续纤维，具有高打印速度、可变间距和低曲率的特点。Yang等^［85］在此基础上利用偏移法打印路径之间间距易于保持的特点对其进行固体各向异性材料惩罚模型（solid orthotropic material penalization，SOMP）拓扑优化（图9（b）），同时提出正交单元SOMP拓扑优化方法并制备了弯曲梁进行实验验证（图9（c）），发现正交单元SOMP法制备的试样拥有更高的峰值载荷和结构刚度，原因在于正交单元SOMP拓扑优化方法中打印路径与设计的纤维取向一致，孔隙率降低，从而提升了力学性能。

Huang等^［86］提出了一种集成纤维取向和结构拓扑并行优化的CFRPC的制造策略，其优势在于同时跨越微观尺度的纤维轨迹和宏观尺度的结构拓扑来制造多尺度结构，同时以MBB梁为对象进行了多尺度结构和单尺度结构的实验验证（图9（d）），发现多尺度结构相比于单尺度结构的强度显著提高，MBB梁的结构刚度和峰值载荷分别提高了36.27%和52.16%（图9（e）），因此，优化后的可变取向纤维轨迹可以极大地发挥CFRPC的力学性能优势，实现更高的轻量化结构承载性能。Zhang等^［87］提出了结构拓扑和纤维取向顺序耦合优化，首先对特定载荷下结构进行拓扑优化得到几何形状，然后沿着主应力轨迹放置连续纤维，基于此方案对MBB梁进行研究（图9（f）），发现与Markforged打印的复合材料相比，优化后的产品降低了孔隙率，同时载荷沿纤维的方向传导，打印件强度和刚度分别提高了305%和256%，虽然强度和轻量化得到保障，但是纤维路径重叠的问题没有解决。Yan等^［88］提出了一种面向制造的连续纤维增强复合材料结构拓扑优化方法，先是基于势流理论对结构进行拓扑优化，接着纤维的取向和含量根据应力优化分配，因此纤维路径可以连续放置并且没有交叉重叠，从而提高优化后CFRPC的可制造性（图9（g））。

Mishra等^［89］制备了纤维方向为0°，±45°和0°/90°的CCF/PA弯曲试样（图10（a）），发现0°方向的拉伸试样弯曲强度最高为170 MPa（图10（b）），这是因为连续纤维的长径比大，沿纤维方向的载荷大于横向载荷。Araya-calvo等^［24］采用两种纤维填充的方式制备了CCF/PA6复合材料压缩试样，分别为各向同性和同心圆，同时设计了三种纤维的铺层顺序，如试样边缘、边缘和中心以及等距排列（图10（c）），实验结果表明同心和等距的组合可以实现最大的压缩力学性能，而各向同性和边缘的组合压缩性能最低，由此可见连续纤维等距分布可以让载荷更均匀沿着树脂向纤维传递，减少应力集中从而提高其压缩性能。Kipping等^［90］提出了一种面向载荷的非平面切片和路径规划方法（图10（d）），既保证了纤维方向位于最大主应力方向和中等主应力方向跨越的较高应力平面，同时又保证了每个构成曲面的完全连续性，消除了在一层打印过程中切割纤维的需要，通过支撑材料的配合，连续纤维具有更高的铺设自由度（图10（e））。

对于连续纤维的二维拓扑优化，结构的拓扑设计和纤维路径的优化铺设需要同步考虑，多尺度的结构可以更充分发挥连续纤维的性能优势，同时对于结构拓扑方面可以和势流理论结合避免纤维打印过程中的路径重叠。路径优化常用流线法、偏移法和等距法，流线法是基于载荷的路径规划与应力分布匹配率最高，对于偏移法和等距法存在几何填充缺陷以及打印路径不连续的问题，可以与其他方法结合递增优化，如偏移法和SOMP拓扑优化，其优化的标准是减少打印过程的孔隙以及纤维的不连续性。连续纤维的各向异性决定了沿纤维方向的力学性能最优，同时等距排列可以获得更均匀的应力分布，避免应力集中，因此对于纤维的铺层顺序、铺设方向和填充模式应尽可能考虑实际工况的负载需求。

4.2.2 三维轻质结构

在CFRPC的增材制造中，三维的轻质结构可以在二维结构拓扑优化的过程中进一步提高打印件的强度和材料的利用率，来满足一些特定的应用需求，常见的蜂窝状或网络状以及晶格点阵结构都是在三维结构设计的探索^［91］。Dou等^［92］通过制备蜂窝结构的CCF/PLA进行落锤实验并与纯聚乳酸的结构对比（图11（a）），结果表明蜂窝结构的冲击力和吸收能量约为纯PLA的3~4倍（图11（b）），失效模式主要为基体与纤维的界面分层。Dong等^［93］提出了一种金刚石结构的CFRPC的增材制造方法，并设计了三角形、平行四边形和梯形的打印路径制备拉伸试样进行对比验证（图11（c）），发现梯形的打印路径使纤维分布更加均匀从而得到更好的拉伸性能（图11（e）），此外还在梯形路径的基础上研究了细胞长度对力学性能的影响（图11（d）），结果表明40 mm细胞长度拉伸性能最好（图11（f）），这是因为纤维在拉伸方向上的取向对拉伸强度具有积极影响，具有较长单元长度的打印结构可以承受更多载荷，拉伸性能有所提升。

Zhang等^［94］提出了一种点阵结构单细胞轨迹的规划方法，采用该方法制备了支杆数为3，4和6以及支杆角度为30°，45°和60°的压缩试样（图12（a）），结果表明四柱金字塔结构的峰值载荷最大为3.81 kN，与三支杆的四面体结构相比，支杆的数量提高了结构的承载能力，但由于打印过程中的重叠和缝隙以及支板的一致性存在差异，所以峰值载荷并没有随支杆的数量线性增加，同时夹层结构的峰值载荷随支杆角度的增加而增大，在60°时支撑结构的峰值载荷最大为4.97 kN，原因在于低角度时承载能力主要取决于支杆的抗弯能力，而随着角度的增加，支板的承载能力逐渐增加，所以试样的比强度和比模量进一步提升。连续纤维增强复合材料晶格结构制造的过程中，搭接处没有最佳的打印策略，Wang等^［95］基于此提出一种自适应的接头处工艺规划，并采用6种不同的打印路径和参数来制造正交网格结构进行力学性能测试（图12（b）），结果显示马蹄形结构和异形结构的抗拉强度和模量最高，同时将两种结构的复合材料与纯PLA相比，抗拉强度与失效应变均提高了4~5倍（图12（c）），晶格结构的断裂位置区域主要在接头处，因此通过打印路径的设计增加接头处的强度是可行的。Zeng等^［96］进一步研究了马蹄形晶格结构的温度依赖性和弛豫行为，制备了三种不同正弦波幅值的样品进行等温压缩实验，分别为2，4 mm和6 mm（图12（d））。结果表明升高环境温度可显著降低连续纤维增强复合材料马蹄形晶格结构（continuous fiber reinforced composite horseshoe lattice structures，CFRCHLSs）的等效压缩刚度和初始峰值载荷，且等温条件下等效刚度和初始峰值载荷随正弦波幅值的增大而减小，打印CFRCHLSs具有温度相关的力学性能，因此可以作为具有可变刚度的机械超材料的潜在候选材料。

连续纤维增材制造的三维轻质结构设计是基于二维拓扑优化提升材料性能和轻量化发展的进一步探索，常用的蜂窝结构和晶格点阵结构都能够有效提升材料的力学性能，结构设计遵循使纤维分布更均匀的原则使其载荷得到有效传递，对于晶格点阵结构，支杆的数量和角度的增加能够提升支杆的承载能力，为了进一步提升性能，对于晶格结构的接头处进行工艺设计，马蹄形和异形结构可以有效提升其强度实现理想断裂，同时对于马蹄形结构的温度依赖性和弛豫行为，可以作为可变刚度机械超材料的研究基础，进一步探索4D打印的可能性。

5 结束语

连续纤维增强复合材料的增材制造是一个新兴方向，将广泛应用于航空航天，汽车等领域，为此国内外学者对其进行了大量的研究，尽管在打印的设备、材料和工艺等方面都有所进展，但仍存在许多问题需要解决。

（1）目前连续纤维的打印都是基于FDM制造，打印机的种类基于纤维浸渍的方式和喷头的设计也是多种多样，实际的生产过程中需要考虑应用场景和经济成本灵活选择和组合，对于航空和汽车领域的大型部件制造，现有的桌面级和工业级打印机仍然存在打印尺寸上的限制，因此将机械臂和CFRPC打印机结合，可以增加工作空间，突破尺寸限制，同时机械臂的高精度和自由度也能实现复杂零部件的制造。

（2）复合材料由基体和增强体组成，对于树脂材料而言，改性提升其力学性能、耐热性、耐化学腐蚀性和耐老化性是其主要的发展方向，如开发高性能树脂提升CFRPC的力学性能和耐热性能，对于特定的应用环境，可以开发自修复树脂、自清洁树脂和阻燃树脂等功能性树脂，同时为了响应国家双碳发展，减少CFRPC的环境影响性，可回收树脂也是助力可持续性发展的研究重点。连续纤维也可以进行表面处理和改善纺丝与加工工艺来提升界面粘接强度、耐热性和耐化学腐蚀性，为了使其具有优异的力学性能和耐热性，不断开发高性能纤维，对于纤维与树脂界面结合差的问题，通过物理或化学的方式增加其界面结合也是必不可少，同时为了扩展CFRPC的应用领域，功能性纤维的研究也是重要方向，如导电纤维和传感纤维等。

（3）打印温度、打印速度和打印层厚等工艺参数都与CFRPC打印件的质量密切相关，建立实时监控系统，通过传感器连续收集制造过程中各阶段的数据，当检测到参数偏离预定范围时，系统可以自动调节工艺参数。目前智能制造技术的进步为发展实时监控工艺参数提供了更多的可能性，通过传感器、数据采集和云计算等技术可以实现对3D打印过程的全阶段监控分析。此外，切片软件的开发也至关重要，大部分切片软件并不具备连续纤维路径规划的功能，而连续纤维的拓扑优化才是复合材料轻量化发展的关键，因此需要开发与设备配套的切片软件，构建一体化的打印平台，增加核心竞争力。

（4）复合材料结构的4D打印也是未来的研究重点，可以实现材料在特定条件下自主变形和功能改变，这些材料具有响应外界刺激的能力，如温度、湿度和光照等，这种自主变形的能力使得复合材料在应对复杂环境和实现特定功能方面具有巨大潜力，通过精确控制纤维和分布以及排列方式，可以实现复杂结构的功能设计，一次成型避免零件组装，有效提高制造效率和降低生产成本。

参考文献

[1] ZHILYAEV I， GRIEDER S， KÜNG M， et al. Experimental and numerical analysis of the consolidation process for additive manufactured continuous carbon fiber-reinforced polyamide 12 composites［J］. Frontiers in Materials， 2022， 9：1068261.

[2] LIU W， PEEKE L M， PERIYASAMY M， et al. Additive manufacturing of silicone composite structures with continuous carbon fiber reinforcement［J］. Polymer Engineering & Science， 2023， 63（6）： 1716-1724.

[3] PIPES R B， BAROCIO E， THOMAS A J. Dynamic rheological characterization of thermoplastic polymer continuous fiber prepreg in the melt state［J］. Composites Part A， 2023， 171：107589.

[4] CHANG Y Y， YOUNG W B. Study on the characteristics of vacuum-bag-only processed composites by prepreg/fiber interleaved layup［J］. Fibers and Polymers， 2023， 24（2）： 653-670.

[5] DEI SOMMI A， BUCCOLIERO G， LIONETTO F， et al. A finite element model for the prediction of porosity in autoclave cured composites［J］. Composites Part B， 2023， 264：110882.

[6] MAES V K， RADHAKRISHNAN A， HARTLEY J， et al. Tracking consolidation of out-of-autoclave prepreg corners using pressure sensors［J］. Composites Part A， 2022， 163：107172.

[7] LIANG J， LIU L， QIN Z， et al. Experimental study of curing temperature effect on mechanical performance of carbon fiber composites with application to filament winding pressure vessel design［J］. Polymers， 2023， 15（4）：982.

[8] CHANG Y， ZHOU Y， WANG N， et al. Micro-mechanical damage simulation of filament-wound composite with various winding angle under multi-axial loading［J］. Composite Structures， 2023， 313：116925.

[9] 刘宸希， 康红军， 吴金珠， 3D打印技术及其在医疗领域的应用［J］. 材料工程， 2021， 49（6）： 66-76.

[10] LIU C X， KANG H J， WU J Z， et al. 3D printing and its application in the field of medicine［J］. Journal of Materials Engineering， 2021， 49（6）： 66-76.

[11] ZHANG Y， QIAO J， ZHANG G， et al. Prediction of deformation and failure behavior of continuous fiber reinforced composite fabricated by additive manufacturing［J］. Composite Structures， 2021， 265：113738.

[12] SIEBERER S， SAVANDAIAH C， PICHLER S， et al. Influence of post-consolidation on continuous carbon-fibre reinforced additively manufactured specimens in bending［J］. Composite Structures， 2023， 320：117176.

[13] SIEBERER S， SAVANDAIAH C， LEßLHUMER J， et al. Shear property measurement of additively manufactured continuous fibre reinforced plastics by in-plane torsion testing［J］. Additive Manufacturing， 2022， 55：102805.

[14] GHIMIRE R， LIOU F. Experimental investigation of additive manufacturing of continuous carbon fiber composites with multifunctional electro-tensile properties［J］. Materials， 2021， 14（21）：6574.

[15] SANO Y， MATSUZAKI R， UEDA M， et al. 3D printing of discontinuous and continuous fibre composites using stereolithography［J］. Additive Manufacturing， 2018， 24： 521-527.

[16] LIU G， XIONG Y， ZHOU L M. Additive manufacturing of continuous fiber reinforced polymer composites： design opportunities and novel applications［J］. Composites Communications， 2021， 27：100907.

[17] ADUMITROAIE A， ANTONOV F， KHAZIEV A， et al. Novel continuous fiber bi-matrix composite 3-D printing technology［J］. Materials， 2019， 12（18）：3011.

[18] FALLAH A， ASIF S， GOKCER G， et al. 4D printing of continuous fiber-reinforced electroactive smart composites by coaxial additive manufacturing［J］. Composite Structures， 2023， 316：117034.

[19] LIU X， SHAN Z， LIU J， et al. Mechanical and electrical properties of additive manufactured high-performance continuous glass fiber reinforced PEEK composites［J］. Composites Part B， 2022， 247：110292.

[20] PANDELIDI C， BATEMAN S， PIEGERT S， et al. The technology of continuous fibre-reinforced polymers： a review on extrusion additive manufacturing methods［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2021， 113（11/12）： 3057-3077.

[21] NARANJO-LOZADA J， AHUETT-GARZA H， ORTA-CASTAÑÓN P， et al. Tensile properties and failure behavior of chopped and continuous carbon fiber composites produced by additive manufacturing［J］. Additive Manufacturing， 2019， 26： 227-241.

[22] BOROWSKI A， VOGEL C， BEHNISCH T， et al. Additive manufacturing-based in situ consolidation of continuous carbon fibre-reinforced polycarbonate［J］. Materials， 2021， 14（9）：2405.

[23] YANG L， ZHENG D， JIN G， et al. Fabrication and formability of continuous carbon fiber reinforced resin matrix composites using additive manufacturing［J］. Crystals， 2022， 12（5）：649.

[24] YAO Y， LI M， LACKNER M， et al. A continuous fiber-reinforced additive manufacturing processing based on PET fiber and PLA［J］. Materials， 2020， 13（14）：3044.

[25] ARAYA-CALVO M， LÓPEZ-GÓMEZ I， CHAMBERLAIN-SIMON N， et al. Evaluation of compressive and flexural properties of continuous fiber fabrication additive manufacturing technology［J］. Additive Manufacturing， 2018， 22： 157-164.

[26] LIU P， LU L， LIU J. Path-driven shell lattices designed for continuous fiber composite 3D printing［J］. Additive Manufacturing， 2023， 78：103838.

[27] SHI B， SHANG Y， ZHANG P， et al. Dynamic capillary-driven additive manufacturing of continuous carbon fiber composite［J］. Matter， 2020， 2（6）： 1594-1604.

[28] DE LEON A， SWEAT R D. Interfacial engineering of CFRP composites and temperature effects： a review［J］. Mechanics of Composite Materials， 2023， 59（3）： 419-440.

[29] LI C， FEI J， ZHANG T， et al. Relationship between surface characteristics and properties of fiber-reinforced resin-based composites［J］. Composites Part B， 2023， 249：110422.

[30] ZHAO X， LONG Y， XU S， et al. Recovery of epoxy thermosets and their composites［J］. Materials Today， 2023， 64： 72-97.

[31] LINGUA A， SOSA-REY F， PAUTARD S， et al. Multiscale characterization of the fracture mechanics of additively manufactured short fiber-reinforced composites［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2023， 289：109343.

[32] MAJKO J， VASKO M， HANDRIK M， et al. Tensile properties of additively manufactured thermoplastic composites reinforced with chopped carbon fibre［J］. Materials， 2022， 15（12）：4224.

[33] EKOI E J， DICKSON A N， DOWLING D P. Investigating the fatigue and mechanical behaviour of 3D printed woven and nonwoven continuous carbon fibre reinforced polymer （CFRP） composites［J］. Composites Part B， 2021， 212：108704.

[34] MA S， YANG H， ZHAO S， et al. 3D-printing of architectured short carbon fiber-geopolymer composite［J］. Composites Part B， 2021， 226：109348.

[35] FU Y T， LI J， GUO F L， et al. Micro-structure and tensile property analyses of 3D printed short carbon fiber reinforced PEEK composites［J］. Composites Communications， 2023， 41：101655.

[36] GOH G D， TOH W， YAP Y L， et al. Additively manufactured continuous carbon fiber-reinforced thermoplastic for topology optimized unmanned aerial vehicle structures［J］. Composites Part B， 2021， 216：108840.

[37] SEIFANS A M， AYYAGARI S， AL-HAIK M. Elastic/viscoplastic characterization of additively manufactured composite based on continuous carbon fibers［J］. Aerospace Science and Technology， 2021， 111：106562.

[38] MATHUR K， KABIR S M F， SEYAM A F M. Tensile properties of 3D printed continuous fiberglass reinforced cellular composites［J］. The Journal of the Textile Institute， 2020， 113（1）： 60-69.

[39] CAMINERO M A， CHACÓN J M， GARCÍA-MORENO I， et al. Impact damage resistance of 3D printed continuous fibre reinforced thermoplastic composites using fused deposition modelling［J］. Composites Part B， 2018， 148： 93-103.

[40] CHABAUD G， CASTRO M， DENOUAL C， et al. Hygromechanical properties of 3D printed continuous carbon and glass fibre reinforced polyamide composite for outdoor structural applications［J］. Additive Manufacturing， 2019， 26： 94-105.

[41] KHOSRAVANI M R， FROHN-SÖRENSEN P， REUTER J， et al. Fracture studies of 3D-printed continuous glass fiber reinforced composites［J］. Theoretical and Applied Fracture Mechanics， 2022， 119：103317.

[42] DICKSON A N， BARRY J N， MCDONNELL K A， et al. Fabrication of continuous carbon， glass and Kevlar fibre reinforced polymer composites using additive manufacturing［J］. Additive Manufacturing， 2017， 16： 146-152.

[43] O'CONNOR H J， DOWLING D P. Low-pressure additive manufacturing of continuous fiber‐reinforced polymer composites［J］. Polymer Composites， 2019， 40（11）： 4329-4339.

[44] PERTUZ-COMAS A D， DIAZ J G， MENESES-DURAN O J， et al. Flexural fatigue in a polymer matrix composite material reinforced with continuous Kevlar fibers fabricated by additive manufacturing［J］. Polymers， 2022， 14（17）：3586.

[45] LYU L， WEN F， LYU T， et al. Interfacial modification and bending performance of 3D orthogonal woven composites with basalt filament yarns［J］. Materials， 2023， 16（11）：4015.

[46] YU S， BALE H， PARK S， et al. Anisotropic microstructure dependent mechanical behavior of 3D-printed basalt fiber-reinforced thermoplastic composites［J］. Composites Part B， 2021， 224：109184.

[47] WU W， LI Z， LIN G， et al. Additive manufacturing of continuous BF-reinforced PES composite material and mechanical and wear properties evaluation［J］. Journal of Materials Science， 2022， 57（27）： 12903-12915.

[48] ZHANG H， SUN W F. Mechanical properties and failure behavior of 3D printed thermoplastic composites using continuous basalt fiber under high-volume fraction［J］. Defence Technology， 2022， 27： 237-250.

[49] MORENO-SANCHEZ D， SANZ DE Leon A， MORENO N D， et al. Basalt fiber composites with reduced thermal expansion for additive manufacturing［J］. Polymers， 2022， 14（15）：3216.

[50] MAN Z， WANG H， HE Q， et al. Friction and wear behaviour of additively manufactured continuous carbon fibre reinforced PA6 composites［J］. Composites Part B， 2021， 226：109332.

[51] MAN Z， WAN B， WANG H， et al. Experimental and numerical study on scratch performance of additively manufactured continuous carbon fibre reinforced polyamide 6 composites［J］. Composites Science and Technology， 2022， 230：109314.

[52] CHANG B， LI X， PARANDOUSH P， et al. Additive manufacturing of continuous carbon fiber reinforced poly-ether-ether-ketone with ultrahigh mechanical properties［J］. Polymer Testing， 2020， 88：106563.

[53] VAN DE WERKEN N， KOIRALA P， GHORBANI J， et al. Investigating the hot isostatic pressing of an additively manufactured continuous carbon fiber reinforced PEEK composite［J］. Additive Manufacturing， 2021， 37：101634.

[54] VAKHARIA V S， LEONARD H， SINGH M， et al. Multi-material additive manufacturing of high temperature polyetherimide （pei）-based polymer systems for lightweight aerospace applications［J］. Polymers， 2023， 15（3）：561.

[55] PANDELIDI C， BATEMAN S， MAGHE M， et al. Fabrication of continuous carbon fibre-reinforced polyetherimide through fused filament fabrication［J］. Progress in Additive Manufacturing， 2022， 7（5）： 1093-1109.

[56] WANG F， WANG G， NING F， et al. Fiber-matrix impregnation behavior during additive manufacturing of continuous carbon fiber reinforced polylactic acid composites［J］. Additive Manufacturing， 2021， 37：101661.

[57] DING S， ZOU B， ZHUANG Y， et al. Hybrid layout and additive manufacturing of continuous carbon/glass fibers reinforced composites， and its effect on mechanical properties［J］. Composite Structures， 2023， 319：117133.

[58] HOU Z， LIU P， TIAN X， et al. Hybrid effect of 3D-printed coaxial continuous hybrid fibre-reinforced composites［J］. Thin-Walled Structures， 2023， 188：110820.

[59] DAS A， MARNOT A E C， FALLON J J， et al. Material extrusion-based additive manufacturing with blends of polypropylene and hydrocarbon resins［J］. ACS Applied Polymer Materials， 2019， 2（2）： 911-921.

[60] FARINA I， SINGH N， COLANGELO F， et al. High-performance Nylon-6 sustainable filaments for additive manufacturing［J］. Materials， 2019， 12（23）：3955.

[61] RETOLAZA J， GONDRA K， ANSOLA R， et al. Mechanical research to optimize parameter selection for PPS material processed by FDM［J］. Materials and Manufacturing Processes， 2022， 37（11）： 1332-1338.

[62] VINDOKUROV I， PIROGOVA Y， TASHKINOV M， et al. Effect of heat treatment on elastic properties and fracture toughness of fused filament fabricated PEEK for biomedical applications［J］. Polymers， 2022， 14（24）：5521.

[63] CHEN Y， SHAN Z， YANG X， et al. Preparation of CCF/PEEK filaments together with property evaluation for additive manufacturing［J］. Composite Structures， 2022， 281：114975.

[64] RODRIGUES S， MIRI S， COLE R G， et al. Towards optimization of polymer filament tensile test for material extrusion additive manufacturing process［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2023， 24： 8458-8472.

[65] ANSARI M Q， BORTNER M J， BAIRD D G. Generation of polyphenylene sulfide reinforced with a thermotropic liquid crystalline polymer for application in fused filament fabrication［J］. Additive Manufacturing， 2019， 29：100814.

[66] HIRSCH P， BASTICK S， JAESCHKE P， et al. Effect of thermal properties on laser cutting of continuous glass and carbon fiber-reinforced polyamide 6 composites［J］. Machining Science and Technology， 2018， 23（1）： 1-18.

[67] JAISWAL G， DAS D， SINGHA M K. Tensile behaviour of hybrid nonwovens prepared from homogeneous and layerwise blending of kevlar and polypropylene fibers［J］. The Journal of the Textile Institute， 2019， 110（10）： 1424-1432.

[68] EICHENHOFER M， WONG J C H， ERMANNI P. Exploiting cyclic softening in continuous lattice fabrication for the additive manufacturing of high performance fibre-reinforced thermoplastic composite materials［J］. Composites Science and Technology， 2018， 164： 248-259.

[69] FAN C， SHAN Z， ZOU G， et al. Interfacial bonding mechanism and mechanical performance of continuous fiber reinforced composites in additive manufacturing［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2021， 34（1）：21.

[70] MAQSOOD N， RIMAŠAUSKAS M. Influence of printing process parameters and controlled cooling effect on the quality and mechanical properties of additively manufactured CCFRPC［J］. Composites Communications， 2022， 35：101338.

[71] DOU H， CHENG Y， YE W， et al. Effect of process parameters on tensile mechanical properties of 3D printing continuous carbon fiber-reinforced PLA composites［J］. Materials， 2020， 13（17）：3850.

[72] MING Y， ZHANG S， HAN W， et al. Investigation on process parameters of 3D printed continuous carbon fiber-reinforced thermosetting epoxy composites［J］. Additive Manufacturing， 2020， 33：101184.

[73] PAPPAS J M， THAKUR A R， LEU M C， et al. A parametric study and characterization of additively manufactured continuous carbon fiber reinforced composites for high-speed 3D printing［J］. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2021， 113（7/8）： 2137-2151.

[74] AKHOUNDI B， NABIPOUR M， KORDI O， et al. Calculating printing speed in order to correctly print PLA/continuous glass fiber composites via fused filament fabrication 3D printer［J］. Journal of Thermoplastic Composite Materials， 2021， 36（1）： 162-181.

[75] LU L， YUAN S， YAO X， et al. In-situ process evaluation for continuous fiber composite additive manufacturing using multisensing and correlation analysis［J］. Additive Manufacturing， 2023， 74：103721.

[76] ZHANG Z， LONG Y， YANG Z， et al. An investigation into printing pressure of 3D printed continuous carbon fiber reinforced composites［J］. Composites Part A， 2022， 162：107162.

[77] KUMEKAWA N， MORI Y， TANAKA H， et al. Experimental evaluation of variable thickness 3D printing of continuous carbon fiber-reinforced composites［J］. Composite Structures， 2022， 288：115391.

[78] AIHEMAITI P， JIA R， AIYITI W， et al. Study on 3D printing process of continuous polyglycolic acid fiber-reinforced polylactic acid degradable composites［J］. Int J Bioprint， 2023， 9（4）： 734.

[79] LE DUIGOU A， CHABAUD G， MATSUZAKI R， et al. Tailoring the mechanical properties of 3D-printed continuous flax/PLA biocomposites by controlling the slicing parameters［J］. Composites Part B， 2020， 203：108474.

[80] YU T， ZHANG Z， SONG S， et al. Tensile and flexural behaviors of additively manufactured continuous carbon fiber-reinforced polymer composites［J］. Composite Structures， 2019， 225：111147.

[81] FERNANDES R R， VAN DE WERKEN N， KOIRALA P， et al. Experimental investigation of additively manufactured continuous fiber reinforced composite parts with optimized topology and fiber paths［J］. Additive Manufacturing， 2021， 44：102056.

[82] DONG Y， YE H， YANG J， et al. Topology optimization of continuous fiber-reinforced composite （CFRC） structures considering the residual stress in additive manufacturing［J］. Mechanics of Advanced Materials and Structures， 2023，31（25）：6962-6975.

[83] MAQSOOD N， RIMAŠAUSKAS M. Development and fabrication of continuous carbon fiber reinforced thermoplastic porous composite structures with different infill patterns by using additive manufacturing［J］. Journal of Thermoplastic Composite Materials， 2022， 36（5）： 2050-2075.

[84] ZHAO J， PERKINS E， LI X， et al. Nonlinear vibratory properties of additive manufactured continuous carbon fiber reinforced polymer composites［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2021， 117（3/4）： 1077-1089.

[85] WANG T， LI N， LINK G， et al. Load-dependent path planning method for 3D printing of continuous fiber reinforced plastics［J］. Composites Part A， 2021， 140：106181.

[86] YANG Z， FU K， ZHANG Z， et al. Topology optimization of 3D-printed continuous fiber-reinforced composites considering manufacturability［J］. Composites Science and Technology， 2022， 230：109727.

[87] HUANG Y， TIAN X， ZHENG Z， et al. Multiscale concurrent design and 3D printing of continuous fiber reinforced thermoplastic composites with optimized fiber trajectory and topological structure［J］. Composite Structures， 2022， 285：115241.

[88] ZHANG H， WANG S， ZHANG K， et al. 3D printing of continuous carbon fibre reinforced polymer composites with optimised structural topology and fibre orientation［J］. Composite Structures， 2023， 313：116914.

[89] YAN X， LAI M， HUANG D， et al. Manufacturing-oriented topological design of CFRC structures with variable fiber volume and orientation［J］. Composite Structures， 2023， 310：116779.

[90] MISHRA P K， JAGADESH T. Investigations into flexural behavior of additively manufactured short and continuous fiber CFRP composites［J］. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering， 2023， 45（3）：159.

[91] KIPPING J， SCHUPPSTUHL T. Load-oriented nonplanar additive manufacturing method for optimized continuous carbon fiber parts［J］. Materials， 2023， 16（3）：998.

[92] ZHANG J， ZHAO T， YI Y， et al. Additive manufacturing assisted fabrication of octet truss structures using continuous carbon fibre composites and the resulting mechanical responses［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2023， 319：118089.

[93] DOU H， YE W， ZHANG D， et al. Research on drop-weight impact of continuous carbon fiber reinforced 3D printed honeycomb structure［J］. Materials Today Communications， 2021， 29：102869.

[94] DONG K， LIU L， HUANG X， et al. 3D printing of continuous fiber reinforced diamond cellular structural composites and tensile properties［J］. Composite Structures， 2020， 250：112610.

[95] ZHANG P， HAN Z， RAN X， et al. Path design and compression behavior of 3D printed continuous carbon fiber reinforced composite lattice sandwich structures［J］. Composite Structures， 2022， 296：115893.

[96] WANG Y， ZHANG G， REN H， et al. Fabrication strategy for joints in 3D printed continuous fiber reinforced composite lattice structures［J］. Composites Communications， 2022， 30：101080.

[97] ZENG C， LIU L， BIAN W， et al. Temperature-dependent mechanical response of 4D printed composite lattice structures reinforced by continuous fiber［J］. Composite Structures， 2022， 280：114952.

基金资助

江苏省重点研发计划(BE2023026)

国家自然科学基金(51875274)