碳纤维复合材料的增材制造长期受困于一个核心矛盾：传统热固化工艺耗时漫长，而快速固化又难以保证力学性能。近日，一项融合近红外激光与碳纤维光热转换协同效应的瞬时固化3D打印技术取得颠覆性突破，在百毫秒时间尺度内实现了超过96%的固化度，打印件的拉伸强度达到1.48 GPa、模量106 GPa，性能全面对标热压罐工艺，同时具备无支撑空中自由成型的能力，为碳纤维复合材料的数字化制造开启了全新篇章。
该技术采用连续碳纤维或短切碳纤维与双环戊二烯（DCPD）热开环聚合树脂作为材料体系。DCPD树脂在特定催化剂作用下可通过开环易位聚合（ROMP）反应实现快速交联固化，其反应速率远超传统环氧树脂。关键创新在于固化触发机制的设计：利用碳纤维本身优异的光热转换特性，将近红外激光（450nm波长）照射至挤出丝材中的碳纤维表面，碳纤维在极短时间内将光能转化为热能，使局部温度瞬间飙升至220至240摄氏度，从而触发DCPD树脂的快速聚合反应。
固化速度之快令人惊叹。从激光照射到树脂完成交联，整个过程仅需100至200毫秒，相当于眨眼间的时间。在如此短暂的窗口内，树脂固化度即超过96%，远超传统3D打印后固化方案所需的数小时热处理周期。这一瞬时固化机制使得打印丝材在沉积的瞬间即获得足够的结构强度，无需任何支撑结构即可实现空中自由成型，最大悬挑比达到惊人的750:1，线性尺寸偏差控制在0.03毫米以内。
在力学性能方面，该技术打印的碳纤维复合材料表现优异。纤维体积分数最高可达70.8%，孔隙率仅为0至1.5%，拉伸强度1.48 GPa，拉伸模量106 GPa。这些性能指标已接近甚至达到传统热压罐成型工艺的水平，彻底打破了“3D打印复合材料性能不如传统工艺”的行业偏见。尤其值得注意的是，高纤维体积分数和低孔隙率的实现，得益于光热协同固化过程中树脂快速流动浸润纤维的动力学效应。
能耗优势同样突出。传统热压罐固化一个复合材料部件通常需要数小时的高温高压处理，能耗巨大。而光热协同瞬时固化技术的单件复杂桁架结构成型能耗仅需0.45千焦，比传统烘箱固化降低约四个数量级。这一巨大的能耗降幅不仅降低了制造成本，也使得碳纤维复合材料的小批量、定制化生产在经济上变得可行。
在成型能力方面，该技术可与六轴工业机械臂配合使用，实现空间任意角度的自由成型。这意味着可以打印传统模具工艺难以甚至无法制造的复杂空间曲面结构，如变截面桁架、拓扑优化轻量化结构、一体化多分支管路等。对于航空航天领域日益增长的复杂整体式结构件需求，这一能力具有极高的应用价值。
从材料体系角度看，DCPD热开环聚合树脂与碳纤维的搭配展现出独特的优势。DCPD树脂粘度低，有利于纤维浸润；固化速度快，适配高速打印；固化产物具有优异的耐化学性和尺寸稳定性。更重要的是，该材料体系可兼容多种碳纤维形态——从连续纤维到短切纤维均可使用，为不同应用场景提供了灵活的材料选择。
这项技术的出现，标志着碳纤维复合材料增材制造从“原型制作”向“功能部件直接制造”的跨越。随着激光功率控制精度的提升和材料体系的进一步优化，光热协同3D打印有望在航空航天、汽车轻量化、高端装备等领域率先实现工程化应用，推动碳纤维复合材料制造范式从“减材”向“增材”的根本性转变。更多复合材料前沿动态，尽在复材云集。
