挤出式聚合物增材制造（3D打印）凭借成形自由度高、材料体系丰富、成本相对低廉等优势，正在成为轻量化结构与功能器件的重要制造手段。但在走向工程应用的过程中，几何精度不足、表面粗糙、内部孔隙率高以及层间结合薄弱等“先天缺陷”始终难以回避：复杂自由曲面容易出现台阶效应和翘曲，大尺寸构件内部残留大量孔洞，连续纤维增强复合材料中还普遍存在层间脱粘和纤维波浪等问题，严重制约了结构承载能力和服役可靠性。传统通过参数调整、路径优化或后处理加工的做法，往往只能针对某一类缺陷“头痛医头、脚痛医脚”，在性能、效率和成本之间难以同时取得平衡。
图1 聚合物增材制造常见的缺陷分类
针对这一共性瓶颈，西安交通大学韩宾、张琦教授团队在最新综述工作中，以“挤出式打印缺陷”为主线，系统梳理了三条具有代表性的增材复合制造路径——增材减材复合制造（ASHM）、增材等材复合制造（AEHM）以及多能场辅助增材制造（MFAAM），提出了一个面向挤出式聚合物的“缺陷驱动复合增材制造（Hybrid Additive Manufacturing, HAM）”总体框架。论文从宏观几何误差与表面粗糙、高孔隙率以及层间弱界面三大类关键缺陷出发，分别映射到“增材+铣削/激光切割”的几何重标定、“增材+滚压/锤击”的打印方向致密化，以及“增材+超声/热场/磁场”的界面与微结构调控之上，建立起“复合工艺—多尺度机理—结构性能”之间的系统关联，为聚合物HAM的设计与拓展提供了一张可视化的“工艺地图”和“机理词典”。相关成果发表于复合材料国际顶刊 《Advanced Composites and Hybrid Materials》，影响因子21.8。
图2 挤出型聚合物缺陷驱动复合增材制造的分类与应用
面向航空航天精密装配以及复杂自由曲面结构等对几何保真度与表面光洁度具有严苛要求的应用场景，增材减材复合制造（ASHM）建立了一种以材料流变特性为基础的“几何重标定”机制。挤出式聚合物增材制造过程中，高黏度热塑性熔体（如PEEK、ABS）易产生台阶效应与热翘曲，而低黏度浆料或前驱体（如DIW陶瓷/弹性体）则更易发生流淌、塌陷与边界失真。通过在打印过程中引入同步或分步的机械铣削与激光切割，ASHM 在分子尺度上通过局部剪切与瞬态升温重构表层链段状态，在中观尺度上截断阶梯状铺丝与表面起伏，并在宏观尺度上对轮廓、孔径和曲面进行精确“外科手术式”修正。典型研究表明，FDM 与五轴铣削一体化可使热塑性构件表面粗糙度降低约70–80%，尺寸偏差显著收敛；而 DIW 结合激光切割/刻写则在弹性体衍生陶瓷和碳基微结构中实现了高分辨率成形与复杂拓扑结构的稳定制备，充分体现了 ASHM 在几何精度与设计自由度之间的综合优势。
图 3 增材减材复合制造：FDM + 铣削：(a) 超景深3D显微镜与 SEM 图像中观察到的大尺寸分层毛刺缺陷；(b) 3D 打印与铣削相结合工艺的对比验证；(c) 分层形成机理示意图；(d) 不同填充方式下表面形貌与层间结合强度的对比；(e) 自由形态打印；(f) 自由形态铣削；(g) 表面质量对比。DIW + 激光：(h) 弹性前驱体的 3D 打印及激光切割/刻蚀。其他：(i) 基于 DLW 与 SMWP 的复合制造策略，用于生成预设计的三维碳微结构。
面向连续纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）等以承载能力和厚度方向性能为核心指标的结构应用，增材等材复合制造（AEHM）针对层间孔隙、纤维波浪和界面脱粘等“隐性缺陷”，引入了以压力场为主导的结构致密化路径。在分子尺度上，热–压耦合作用提高了聚合物链段迁移能力并缩短跨层扩散距离；在中观尺度上，滚压或局部锤击促使孔隙塌陷、熔合界面扩展并矫直纤维排布；在宏观尺度上，则有效抑制了层间剥离主导的早期失效行为，使构件逐步呈现类整体材料的断裂模式。相关研究显示，三维压实打印和路径跟随滚压技术可将 CFRTP 内部孔隙率由约10% 降低至3% 以下，同时使拉伸与弯曲强度提升约30–60%；在高曲率或开孔区域，锤击式打印能够在不引入二次加工的情况下构建连续纤维环结构，使开孔拉伸强度提高约75%，凸显了 AEHM 在厚度方向结构完整性与工程可靠性方面的独特优势。
图 4 增材等材复合制造：辊压辅助：(a) 采用压实辊的 3D 打印 CFRTP 的示意图及截面观察；(b) 3D 压实打印（3DCP）试样中纤维起伏与孔隙分布的 XCT 图像；(c) 3D 压实打印机打印头结构示意；(d) 双喷嘴三维模型；(f) Chen 提出的辊压实装置；(g) 层高补偿：基于恒定压实深度的切片方法；(h) 辊压实策略：在不同路径拐角处对辊压系统方向进行调整。锤击辅助：(e) 通过锤击打印实现的圆形结构三维轮廓；(i) 锤击打印技术实现大曲率结构的打印并提升力学性能。
针对挤出式聚合物打印中黏度演化、结晶行为和各向异性难以协同调控的问题，多能场辅助增材制造（MFAAM）通过引入超声、热场和磁场等外场手段，实现了对界面与微结构的“非接触式”精细干预。在分子尺度上，超声振动与局部热场降低熔体黏度并加速链段扩散，调控结晶动力学过程；在中观尺度上，能场作用促进孔隙排出、晶粒细化及填料/纤维重新分布；在宏观尺度上，则有效缓解力学各向异性并赋予构件可设计的多功能响应。典型研究表明，超声辅助打印可显著提升 HA-PLA 等复合材料中填料分散均匀性并降低孔隙含量，热场辅助通过延长材料停留在玻璃化转变温度以上的时间窗口，实现层间结合与尺寸稳定性的同步提升，而磁场辅助则驱动磁性填料定向排列，在增强力学性能的同时引入磁–电耦合功能。这些结果表明，MFAAM 为在不牺牲几何自由度的前提下实现“结构–功能一体化”提供了一条高可扩展性的复合增材制造路径。
图 5 热场辅助增材制造：(a) 采用沉积前激光加热的 FDM 打印实验装置示意图；(b) 分子链爬移与松弛过程示意图；(c) 配备原位红外辐射模块的 3D 打印系统示意图（左），相邻打印丝材间熔融结合的 SEM 图像（中），以及温度梯度的热成像图（右）；(d) 热风辅助加热示意图；(e) 基准打印与在 200 °C、6 LPM 热风条件下打印时红外测得的温度分布对比；(f) 通过局部感应微波加热实现 3D 打印复合材料层间结合性能的增强。
与传统“按工艺分类”的综述不同，这项工作强调“缺陷驱动”与“多尺度关联”：一方面，三条混合路径不再被简单视为工艺清单，而是被嵌入到统一的缺陷–机理–结构性能图谱之中，便于研究者根据目标缺陷类型和应用需求反向选择或设计混合工艺；另一方面，通过串联分子尺度链扩散与结晶行为、介观孔隙演化与表面重构、宏观强度与可靠性和功能响应，论文提出了多路径协同设计与智能过程控制的若干前沿方向，为挤出式聚合物及其复合材料从“打得出来”走向“用得放心”“用得聪明”的工程应用提供了新的技术蓝图。
图6 挤出式聚合物复合增材制造技术：挑战与解决方案
相关成果以“Recent Advances of Defect-Driven Hybrid Additive Manufacturing of Extrusion-Based Polymers: Bridging Multiscale Mechanisms to Enhanced Structural Performance”为题，被国际期刊 Advanced Composites and Hybrid Materials（ACHM） 接收发表，通讯作者为西安交通大学机械工程学院 韩宾教授，第一作者为硕士研究生王浩，合作者还包括西安交通大学机械学院张琦教授，以及博士生郑培远、硕士生刘志鹏。
文章信息：
Wang, H., Han, B., Zheng, PY, Liu ZP, Zhang Q. Recent advances of defect-driven hybrid additive manufacturing of extrusion-based polymers: bridging multiscale mechanisms to enhanced structural performance. Adv Compos Hybrid Mater (2026).
原文链接：
https:///10.1007/s42114-025-01573-x