近期，一项基于光热辅助原位固化的碳纤维增强热固性复合材料3D打印技术取得重要突破。该技术实现了连续与不连续碳纤维的无工具、无支撑、无需后固化增材制造，纤维体积分数高达70%，空隙率接近零，可在半空中完成打印。这一进展为航空航天、国防及能源领域高性能复合材料的快速成型开辟了新路径。
技术原理与创新点： 传统复合材料制造依赖昂贵的模具和长时间的热压罐固化，制造成本高、设计自由度受限。此次技术突破的核心在于采用热响应型热固性树脂作为基体，结合光热转换原理对碳纤维进行局部远程加热。具体而言，碳纤维优异的吸光特性被用于转换入射单色蓝色激光的能量，在100至200毫秒内实现局部快速加热，利用碳纤维的高导热性将热量迅速传导至周围树脂，引发树脂快速交联固化。
该树脂体系具有可调粘度特性，从低粘度液体到粘性凝胶均可实现，为不连续和连续纤维增强复合材料的增材制造提供了理想的加工窗口。树脂本身具备高模量、高强度、优异的热稳定性、抗冲击性、断裂韧性和耐化学性，同时具有低密度、低固化收缩和低吸湿性，是结构应用的理想聚合物基体。
在不连续碳纤维复合材料打印中，树脂溶液经预热后与短切碳纤维混合，制成具有剪切变稀行为的可打印墨水。墨水在-5℃下维持稳定，通过气压驱动按预定轨迹挤出，蓝色激光对刚沉积的复合材料进行局部加热，碳纤维吸收激光能量并转化为热能，使树脂温度快速升至220至240℃，固化度可达96%至98%。
在连续纤维打印中，连续碳纤维丝束在打印头上用树脂浸渍，通过分配喷嘴进料，并沿打印路径放置。由于树脂在室温下粘度低且相对稳定，纤维易于浸渍，复合材料的受控压实确保了高质量的层间结合。
性能数据： 该技术实现的复合材料纤维体积分数高达70%，接近零空隙率，这在传统制造工艺中也属较高水平。固化度达到96%至98%，确保了材料具有优异的力学性能和尺寸稳定性。利用回收的碳纤维制造的复合材料，其强度重量比超过钢材的两倍以上。该技术无需后固化处理，大幅缩短了制造周期，从数小时缩短至数分钟级别。
应用场景： 在航空航天领域，该技术可用于制造复杂形状的机身加强筋、舱壁结构和发动机短舱部件，无需模具即可实现定制化生产。在国防领域，无支撑打印能力使得中空结构和内部加强筋的一体化制造成为可能，适用于无人机机身、导弹壳体等部件。在能源领域，风电叶片的局部加强结构和压力容器的缠绕层可通过该技术实现快速制造。在汽车领域，该技术适用于小批量高性能车型的结构件制造，如底盘加强件和车身框架。
解决行业痛点： 该技术有效解决了传统复合材料制造中的多个核心痛点。首先，消除了对昂贵模具的依赖，使小批量、定制化生产具有经济可行性。其次，无支撑打印能力突破了传统增材制造中悬空结构需要支撑材料的限制，减少了后处理工序和材料浪费。再次，无需后固化处理大幅缩短了制造周期，提高了生产效率。最后，高纤维体积分数和低空隙率确保了最终产品具有优异的力学性能，满足了结构应用的要求。
光热辅助原位固化3D打印技术的出现，标志着碳纤维复合材料制造正从传统的模具依赖型向数字化、柔性化方向转变。随着激光功率、扫描速度和材料体系的进一步优化，该技术有望在未来三至五年内实现航空航天领域的工程化应用。更多复合材料前沿动态，尽在复材云集。
