连续纤维增强复合材料（如碳纤维、玻璃纤维增强聚合物）凭借高强度（比强度是钢的 5 倍）、轻量化（密度仅为金属的 1/4）等优势，已成为航空航天、高端装备领域的关键材料。而 3D 打印技术的引入，打破了传统复合材料成型对模具的依赖，可实现复杂结构的一体化制造。但纤维路径的无序排列会导致力学性能波动（偏差可达 30%），如何通过路径规划精准调控力学性能，成为连续纤维 3D 打印的核心难题。本文将系统解析路径设计原则与力学性能的关联机制，提供可落地的调控方案。

一、连续纤维3D打印的核心技术特点

连续纤维增强复合材料 3D 打印（CFRP-3DP）通过 “纤维铺设 - 树脂浸润 - 逐层固化” 的协同过程实现成型，其技术特点决定了路径规划的特殊性。

（一）成型原理与设备特性

•双喷头协同工作：一个喷头输送连续纤维（直径 5-20μm，如碳纤维 T700），另一个喷头挤出基体树脂（如环氧树脂、PEEK），纤维浸润树脂后按预设路径铺放，经紫外光或热固化定型。典型设备如 Markforged X7，纤维体积含量可达 35%-50%（传统工艺通常＜30%）。

•层间结合机制：纤维在层间的搭接长度需≥5mm 才能保证强度（如碳纤维与环氧树脂界面剪切强度需＞25MPa），路径规划需避免层间纤维 “断头” 或 “错位”（错位量＞0.5mm 会导致强度下降 15%）。

（二）力学性能的各向异性

连续纤维复合材料的力学性能具有强烈的方向依赖性：

•纵向强度（纤维排列方向）可达 1000-1500MPa，而横向强度（垂直纤维方向）仅为纵向的 10%-20%（约 100-300MPa）。例如单向碳纤维增强 PEEK，0° 方向拉伸强度 1200MPa，90° 方向仅 120MPa。

•层间剪切强度是薄弱环节（通常 30-60MPa），若路径规划不合理（如层间纤维角度突变），易在此处发生剥离破坏。

二、路径规划的三大设计原则

路径规划的核心是让纤维沿受力方向有序排列，同时保证层间结构连续性，需遵循以下原则。

（一）纤维方向与受力匹配原则

根据构件的载荷类型（拉伸、弯曲、扭转）设计纤维方向，实现 “按需增强”：

•拉伸载荷：纤维平行于受力方向（0°）排列，如无人机机翼的翼梁，0° 方向纤维占比需≥70%，可承受轴向拉力达 50kN。

•弯曲载荷：采用 ±45° 交叉铺设，中性轴附近增加 0° 纤维（占比 30%），如汽车传动轴的弯曲强度可提升 40%（从 800MPa 增至 1120MPa）。

•扭转载荷：以 ±45° 为主（占比 80%），层间插入 15°/75° 辅助纤维，如直升机旋翼轴的抗扭强度可达 300MPa（纯树脂仅 50MPa）。

案例：某航天支架需承受多向载荷（轴向 20kN + 横向 10kN），路径规划为：60% 纤维沿轴向（0°），30% 沿 45°，10% 沿 90°，测试表明其综合力学性能比随机排列提升 2.3 倍。

（二）层间衔接与连续性原则

层间纤维的搭接质量直接影响层间剪切强度，需通过路径设计实现 “三维交织”：

•阶梯式搭接：上层纤维末端相对于下层纤维偏移 1-2mm（如第一层纤维终点在 X=10mm，第二层在 X=11mm），形成阶梯状过渡，层间剪切强度可提升 25%（从 40MPa 增至 50MPa）。

•Z 向纤维穿插：每 5 层设置一层 “Z 向连接纤维”（垂直于打印平面），长度 0.5-1mm，如打印厚壁结构（＞20mm）时，层间剥离力从 15N/m 增至 35N/m，适合承受冲击载荷的部件。

•避免层间直线对齐：纤维末端在层间错开排列（如第一层沿 X 轴，第二层沿 Y 轴），防止在同一位置形成 “薄弱线”，如压力容器的层间纤维错位排列后，爆破压力提升 18%。

（三）纤维体积含量的梯度分布

根据构件不同区域的受力差异，调整纤维密度（体积含量 5%-50%）：

•高应力区：如机械臂的关节部位，纤维体积含量达 40%-50%，采用密集路径（线间距 0.2-0.3mm）。

•低应力区：如外壳的非承重区域，纤维含量降至 10%-20%，线间距扩大至 0.5-0.8mm，可减重 30% 且不影响使用。

•过渡区设计：高、低含量区域通过 3-5 层梯度过渡（每层含量变化 5%-10%），避免因含量突变导致的应力集中（如从 50% 降至 10% 需 6 层过渡，应力集中系数从 2.5 降至 1.2）。

三、典型结构的路径规划策略

针对不同几何结构（平板、曲面、镂空），路径规划需结合结构特点优化纤维走向，平衡力学性能与成型可行性。

（一）平板类结构：均衡强度与平整度

•单向平铺 + 交叉增强：主体采用 0°/90° 正交排列（适合承受双向拉伸），表面添加 ±45° 斜纹纤维（占比 20%），如打印机底座平板，平面度误差可控制在 ±0.1mm，同时抗弯强度达 350MPa。

•网格路径优化：大尺寸平板（＞500mm）采用 “蜂窝网格” 路径（网格尺寸 5-10mm），纤维沿网格边缘铺设，比满铺节省 30% 材料，且抗变形能力（挠度＜0.5mm/m）优于传统结构。

（二）曲面与异形结构：纤维走向的平滑过渡

•等曲率路径：纤维沿曲面的曲率方向铺设（如圆柱面沿圆周方向），曲率半径＞5mm 时，纤维弯曲应力＜100MPa（低于断裂应力），如无人机机身曲面的纤维沿径向 + 环向排列，表面无褶皱，强度达标率 95%。

•分片映射法：将复杂曲面分解为多个小平面（误差＜0.5mm），每个平面内纤维按直线排列，交界处采用弧形过渡（半径＞3mm），如涡轮叶片的纤维路径经分片优化后，疲劳寿命提升至 10⁷次循环（未优化仅 3×10⁶次）。

（三）镂空与框架结构：纤维的拓扑优化

根据受力仿真结果，在非受力区域减少纤维，实现 “轻质高强”：

•拓扑路径生成：通过有限元分析识别构件的 “力流路径”，纤维仅沿力流方向铺设（如桁架结构的纤维沿主受力杆件分布），如机器人手臂经拓扑优化后，重量减轻 40%，而刚度保持不变（150GPa）。

•节点强化设计：镂空结构的连接节点处采用 “放射状纤维”（从节点中心向四周发散），如自行车车架的五通节点，放射状纤维分布使其承受扭矩达 200N・m（传统结构仅 120N・m）。

四、力学性能的多维度调控方法

除路径规划外，可通过工艺参数、纤维预处理、树脂改性等手段进一步调控力学性能，实现 “性能定制”。

（一）工艺参数的协同优化

1.打印速度与纤维张力：

◦速度过快（＞100mm/s）会导致纤维浸渍不充分（浸渍率＜80%），拉伸强度下降 20%；速度过慢（＜30mm/s）则树脂易流失，建议速度 40-60mm/s。

◦纤维张力控制在 5-15N（碳纤维取 10-15N，玻璃纤维取 5-10N），张力不足会导致纤维松弛（路径偏移＞0.3mm），张力过大则纤维易断裂（断丝率＜1% 为合格）。

1.树脂浸润与固化参数：

◦树脂粘度需匹配纤维类型（碳纤维适合粘度 500-1000mPa・s，玻璃纤维适合 800-1500mPa・s），粘度太高（＞2000mPa・s）会导致浸润不良，可添加稀释剂（如环氧丙烷苯基醚，添加量 5%-10%）调节。

◦紫外固化能量密度 800-1200mJ/cm²（热固化温度 120-180℃），不足会导致树脂未完全固化（Tg＜80℃），过量则树脂变脆（冲击强度下降 15%）。

（二）纤维预处理与界面改性

•表面活化处理：碳纤维经等离子体（功率 80W，时间 60s）或氧化处理（硝酸浓度 65%，60℃浸泡 2h），表面羟基含量增加 3 倍，与树脂的界面剪切强度从 30MPa 提升至 55MPa。

•涂层改性：在纤维表面涂覆偶联剂（如硅烷 KH560，浓度 2%-5%），形成 “桥接层”，如玻璃纤维涂覆后与 PP 的界面结合力提升 40%，适合汽车内饰件的轻量化制造。

（三）多尺度结构复合调控

•宏微观协同增强：宏观路径沿受力方向，微观上在纤维表面引入纳米凹坑（直径 50-100nm），通过 “机械互锁” 增强界面，如碳纤维经纳米刻蚀后，复合材料的冲击强度提升 35%（从 80kJ/m² 增至 108kJ/m²）。

•混杂纤维设计：将碳纤维（高强度）与芳纶纤维（高韧性）按 7:3 比例混合，路径上碳纤维沿 0°，芳纶沿 90°，复合材料的拉伸强度达 1200MPa，断裂伸长率保持 5% 以上（纯碳纤维仅 2%）。

四、设备与软件的关键技术支撑

连续纤维 3D 打印的路径规划需设备与软件协同，才能实现精准执行。

（一）专用打印设备特性

•纤维输送精度：采用伺服电机控制纤维张力（精度 ±0.5N），导丝轮直径误差＜0.01mm，确保纤维路径偏移量＜0.1mm

•多喷头协同：配备 3-4 个喷头（1 个纤维 + 2-3 个树脂），可实时切换树脂类型（如结构区用高强度树脂，缓冲区用柔性树脂），适合功能梯度复合材料打印。

•在线监测系统：通过机器视觉（分辨率 2000 万像素）实时检测纤维位置，偏差＞0.2mm 时自动调整喷头位置，如航空部件打印的尺寸精度可控制在 ±0.1mm/100mm。

（二）路径规划软件功能

•受力仿真集成：软件内置有限元模块（如 ANSYS 接口），可直接导入载荷参数生成优化路径，如输入梁的弯曲载荷后，自动生成 0°/45° 混合路径，效率比人工设计提升 5 倍。

•曲率平滑算法：对曲面路径进行 “光顺处理”，纤维转向角度每毫米变化＜5°，避免锐角弯曲（＞90°）导致的纤维断裂，如涡轮叶片的路径经平滑处理后，废品率从 15% 降至 3%。

•可制造性检查：自动检测路径中的 “不可达区域”（如小于纤维弯曲半径的拐角），并生成替代路径，如复杂腔体结构的路径通过率从 70% 提升至 95%。

五、工业化应用的挑战与突破方向

连续纤维 3D 打印虽已在小众领域应用，但规模化生产仍面临效率与成本的瓶颈。

（一）核心挑战

1.打印效率低下：目前速度多为 30-50mm/s，打印 1m 长的碳纤维部件需 1-2 小时，仅为传统缠绕工艺的 1/10。

2.纤维种类受限：现有设备多支持碳纤维、玻璃纤维，对高强度纤维（如碳化硅纤维）的兼容性差（易断丝）。

3.成本居高不下：设备价格＞50 万元，纤维材料成本是传统工艺的 3-5 倍，制约民用领域应用。

（二）突破路径

•高速打印技术：开发 “并行喷头” 系统（4-8 个喷头同时工作），配合红外预加热（树脂粘度降低 50%），打印速度可提升至 200mm/s，适合批量生产。

•多纤维适配改造：优化导丝机构（采用陶瓷导轮）和张力控制算法，实现碳化硅、玄武岩纤维的稳定输送（断丝率＜0.5%）。

•低成本材料体系：开发回收碳纤维增强树脂（成本降低 40%），性能达原生材料的 80%，适合汽车、体育用品等领域。

连续纤维增强复合材料3D打印的核心价值，在于将 “材料设计” 与 “结构制造” 合二为一。通过路径规划让纤维 “按需分布”，配合工艺参数优化，可实现传统工艺难以企及的力学性能调控精度。未来 3-5 年，随着高速打印设备与低成本材料的突破，该技术将从航空航天的高端应用走向汽车、机器人等民用领域，推动复合材料制造进入 “数字化、个性化” 的新阶段。对于工程师而言，掌握路径规划与力学性能的关联规律，将成为解锁复杂结构设计的关键能力。