3D打印连续纤维增强复合材料凭借其轻量化、高强度、高可设计性等优势，在航空航天领域具有广阔的应用前景。然而，3D打印层层堆叠的制造模式在制造过程中易出现树脂浸渍不充分、层间粘合不充分及孔隙缺陷等，使其力学性能难以充分发挥，严重阻碍了3D打印连续纤维增强复合材料的工程化应用。
针对3D打印制造缺陷导致连续纤维增强复合材料力学性能严重下降问题，同济大学李岩教授团队提出了一种调节3D打印过程中压力和温度的方法，实现了3D打印连续纤维增强复合材料力学性能的提升。通过测量打印过程中关键参数，建立3D打印过程中复合材料热场演化模型；发展了束内孔隙模型和层间粘合模型，建立3D打印连续纤维增强复合材料多尺度有限元分析模型；基于上述模型提出压力和温度改善方法，显著减少了3D打印复合材料的制造缺陷并实现力学性能的提升。相关研究成果以“A pressure modulation approach to enhance mechanical properties of 3D-printed continuous fiber-reinforced composites”为题发表在期刊Composites Science and Technology。
该研究考虑了连续纤维增强复合材料3D打印过程中温度和压力作用下树脂基体的浸渍和粘合（图1），建立了束内树脂浸渍模型（图2）和层间树脂粘合模型（图3）。通过对3D打印复合材料内部微结构的表征，系统研究了不同打印参数下束内及层间孔隙缺陷的演化机制，并验证了提出的浸渍及粘合模型。
图1 3D打印过程中树脂的浸渍和粘合过程
图2 束内树脂浸渍模型
图3 层间树脂粘合模型
基于束内和层间缺陷模型，进一步建立了考虑制造缺陷的多尺度有限元模型（图3）。实验和仿真结果揭示了3D打印工艺参数、制造缺陷和力学性能三者间的定量关系。随着打印压力的增加和加热时间的延长，可以在打印过程中实现更加充分的浸渍和粘合过程，降低束内和层间孔隙缺陷的含量，使复合材料的轴向和横向拉伸强度得到显著提升。
图4 考虑制造缺陷的多尺度有限元模型
最后提出了一种调控3D打印温度和打印压力的通用方法，温度调控实现了打印过程中树脂黏度的降低以及浸渍、扩散过程的延长，压力调控实现了浸渍速率的增加以及层间材料紧密接触度的提升。通过对工艺参数的改善，使束内缺陷降低超过10%，层间缺陷降低超过75%；轴向拉伸强度提升超过25%，横向拉伸强度提升超过900%（图5、图6）。该方法构建了3D打印中工艺参数-细观缺陷-力学性能三者关系的桥梁，有望促进3D打印连续纤维增强复合材料在工程领域的广泛应用。
图5 3D打印连续纤维增强复合材料横向力学性能的改善
图6 3D打印连续纤维增强复合材料轴向力学性能的改善
2023级博士生张峻铭为论文第一作者，李岩教授、王鹏副教授和杨伟东研究员为论文共同通讯作者。Yiu-WingMai教授，陈永霖助理教授对论文提供了重要支持。上述研究工作得到了的国自然重点项目资助。
https:///10.1016/j.compscitech.2025.111277