羅盟：連續(xù)纖維復合材料3D打印技術(shù)發(fā)展及應用趨勢

在2024增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇暨增材制造產(chǎn)業(yè)年會論壇上，深圳協(xié)同創(chuàng)新高科技發(fā)展有限公司副總經(jīng)理 羅盟先生，做了題為“連續(xù)纖維復合材料3D打印技術(shù)發(fā)展及應用趨勢”的報告。


<連續(xù)纖維復合材料3D打印技術(shù)發(fā)展及應用趨勢>
羅盟：尊敬的各位專家、各位來賓，大家下午好！
今天很高興在這里就連續(xù)纖維目前還沒有聽到這樣一個主題和報告做一個分享。其實我們現(xiàn)在行業(yè)里面增材制造大家討論最多的其實是金屬或者說剛才馬總提到的一些非金屬方向，像以連續(xù)纖維為代表的非金屬材料這種具有很強的一個高強輕質(zhì)的特性材料很少出現(xiàn)這樣的會場，比較主流的一些舞臺上。
近十年的發(fā)展時間里面，連續(xù)纖維才真正進入大家的視野，一點點星星之火燃燒到現(xiàn)在國內(nèi)我們可以用自己的裝備，用自己的材料、軟件打出一片天地的現(xiàn)狀。
今天的話我的報告內(nèi)容比較多的，可能在時間的限制下會必須快的過一下，從4個方面首先連續(xù)纖維的發(fā)展背景，技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的情況，以及連續(xù)纖維當前在我國知識產(chǎn)權(quán)情況的分析到最后我們連續(xù)纖維復合材料3D打印未來發(fā)展到底在哪里？
首先背景，增材制造整體背景，前面各位前輩專家都已經(jīng)講過了包括增材制造的特點大家都很熟悉，其實我在這里還想講的一個美國國防部還有公司在國外有大量的增材制造材料和樣件引用的使用，這些使用過程中有大量的包括3D打印修復套件，實現(xiàn)精準的修復維修，同時全面推廣3D打印航空航天等部件為代表的輕量化制造的終端產(chǎn)品，3D打印航天級復合材料成為挑戰(zhàn)材料極限非常中西的一個方式。
比如說，我們復合材料里面既然是復合一定是多種材料的集成，那么纖維部分，最核心的就是我們的碳纖維，那么在非金屬機體部分，用到ESD這種材料，和碳纖維進行整體的復合，無論是力學性能、耐高溫、抗腐蝕性達到非常好的效果，可以承受比如說高真空、熱循環(huán)等等的一些極端考驗。
那么在我們里有一個預測的數(shù)據(jù)，可以看到左上角的這樣一個圖，按照美國復合材料增材制造的一個官方數(shù)據(jù)，在2023年它的全年的這樣一個整體的市場規(guī)模中復合材料增材制造7.85億美元，其中包含三大部分主要的構(gòu)成，分別是硬件比如說裝備、材料對于終端的服務(wù)，依然以設(shè)備、硬件為主的他的占比最高的，那么隨著這個占比不斷往前推進，那么預測的數(shù)據(jù)下2033年，我們的硬件和服務(wù)基本持平，分別是29.36億美元和29.28億美元這樣的數(shù)據(jù)對比。
我們美國有一家公司在做3D打印已經(jīng)輻射到大量的應用場景當中，也是國內(nèi)急需推廣和學習的點。剛才這張圖的話馬總報告里面也提到了，技術(shù)滲透率不足0.1%，行業(yè)第三方報告，也是行業(yè)人共知的，跳出過程中成型的這樣一個特性，研發(fā)小批量、定制化、復雜結(jié)構(gòu)，這所有的一切都是3D打印的刻板印象，真正可以滲透到終端一定是和終端產(chǎn)品直接結(jié)合，剛才上一個報告中有一個很好的名詞，我們之前叫做大規(guī)模制造，然后現(xiàn)在慢慢的從大規(guī)模制造轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)模定制，這個發(fā)展路徑非常有意思的。
那么隨著我們在航空航天還有軌道交通等等領(lǐng)域的復合材料的這樣一個不斷的探索，新的工藝、新的材料體系逐漸完善起來，在我們國內(nèi)的應用端不斷體現(xiàn)出來，那么復合材料用量成為衡量當前我們這樣一些重要的工業(yè)裝備先進性的核心標準之一。
傳統(tǒng)的復合材料制造中比如說我們列了部分的，我們很難擺脫比如說模具制造或者梯度化這樣的一些特征，那么在這里我們連續(xù)纖維3D打印不是做替代的，是做補充的，主要補充在哪些地方呢？對于熱塑性復合材料這樣的需求點，具有回收、焊接、復雜結(jié)構(gòu)成形、避免模具和梯度化成型的特點下實現(xiàn)對于先進制造和工藝方法等的系統(tǒng)探究。
那么在2014年的時候，當時在西安交通大學我們團隊提出我們國內(nèi)有沒有自己可以做的連續(xù)纖維材料3D打印工藝，當時很簡單看到這個圖最基本，最基礎(chǔ)的原始圖，我們將熱塑性的樹脂  材料和纖維通過過程中的溫度控制和壓力進行實時分布排布，實現(xiàn)過程化成型從而形成我們的三維實體，這個過程中其實我們的速度很慢，我們纖維含量比較低，即使這樣的一個比較簡單的一個工藝想法，讓我們當時在非金屬材料特別是塑料的這個領(lǐng)域內(nèi)的力學性能從最早大家認知里面的百兆帕級別一下上升到三百四百，到現(xiàn)在超千兆帕。
這個過程中有了三方面的技術(shù)發(fā)展和調(diào)整，分別是第一部分是我們的材料成型類別，就是從我們原來的短纖增強的材料發(fā)展為連續(xù)纖維，我們復合材料的工藝，我們之前的話進行直接的復合結(jié)合，現(xiàn)在發(fā)展到了直接打印。第三種我們的成型方式。我們對于復合材料整體進展大概做一個介紹，第一個就是我們現(xiàn)在實現(xiàn)多重界面形成多工藝協(xié)同強化機理，最大含量超60%，最大的力學強度超千兆帕以上，而且這個千兆帕的力學性能不是最佳的力學性能，有很大的提升空間，意味著不斷逼近于我們傳統(tǒng)制造的很多復合材料的力學性能需求。
第三個開發(fā)對于復雜結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維多自由度打印的方法，這個方法過程中，很重要的一點就是，我們能夠跳出從宏觀層面來講，這樣的一個平面鋪層式的方式帶來的增強力學性能極差的問題，提供了一個很好的解決思路，那么在這個過程中，你比如說通過結(jié)構(gòu)的拓撲，纖維的曲線設(shè)計，到曲面或者曲線的纖維的成型，可以從設(shè)計端到制造端形成一個三位一體的打通。
那么這樣的一些設(shè)計，包括我們對于一些細胞單元的設(shè)計，纖維在內(nèi)部的排布，可以從介觀到宏觀的擴展，最后形成對于未來可能比如說某些程度應用下不能說各項同性避免多個方向的過于異性的性能，可以做一個有效的屏蔽。
這個是我們開展關(guān)于連續(xù)纖維，我們課題組很重要的一個研究方向，其中還有針對于這種超材料、超結(jié)構(gòu)的阻抗疲憊，包括引伸這樣的一些研究，增材制造連續(xù)纖維打印，短纖打印有一個很大的特點就是我們可以既可以發(fā)揮材料的優(yōu)勢，同時將結(jié)構(gòu)過程中實現(xiàn)我們這樣一個最終的需求性能。
這個是另外一個探索，針對機翼的傳感，變形的一個檢測和預防控制的研究。這里面主要的成型方式也是通過我們的連續(xù)纖維來做的一個主體成型。除此之外我們也適配于復合材料，特別是連續(xù)纖維打印，當前做到平面和曲面的一些軟件的算法和界面開發(fā)，實現(xiàn)了我們對于剛才說的平面的打印上的一個路徑規(guī)劃，然后包括我們曲面打印上的一個路徑規(guī)劃算法的研究。
截至目前我們研究層面上做了很多探索，包括高校階段到企業(yè)階段，在企業(yè)這邊的話我們現(xiàn)在已經(jīng)開始從PLA低于兩百攝氏度打印溫度的樹脂到四百攝氏度以上的高熔點樹脂全面的覆蓋，我們對于成因效率、內(nèi)部缺陷控制，成型穩(wěn)定性有極大的提高。
在過我們討論下面三層的問題，打印速度、綜合力學性能和溫度精度控制，研究推入產(chǎn)業(yè)化的階段的時候，其實我們的客戶特別是國內(nèi)的連續(xù)性復材的客戶端永遠討論上面三個問題，下面三個問題托底的，上面三個問題代表上限的，材料軟件開源性，材料覆蓋性，上游國產(chǎn)材料的適配性，到最后無論零部件還是材料的國產(chǎn)化率都是非常重要方面的一些問題，從2014年到2017年開始做一些研究性的樣機投入市場，直到在2020年的時候我們把陜西這部分的產(chǎn)業(yè)重點落到了深圳協(xié)同創(chuàng)新高科技發(fā)展有限公司也是現(xiàn)在所在的公司開始，我們形成了一系列的一個產(chǎn)品型號，和我們的軟件配合滿足低溫到高溫，從平面成型到曲面成型的多維度需求完善國產(chǎn)化3D打印的設(shè)備和軟件的整體上的序列。
這個是我們的一些應用，在汽車、航空、自行車等等方面的應用的一些部分零件介紹，這部分今天在這個報告里面還有第三部分關(guān)于國內(nèi)現(xiàn)在的知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)狀，這個是對于我們行業(yè)的一個分析，我們是通過關(guān)鍵詞和關(guān)鍵點的一些檢索，搜索，然后輸入之后，我們國內(nèi)目前的3D打印的首臺設(shè)備的推出在2010年推出的，西安交大我們課題組推出的，2024年開始在各種終端應用場景露臉了，整個發(fā)展過程中，我們按照數(shù)據(jù)的這樣一個增長我們分為三個階段，第一個階段我們的萌芽期，這個是非常微少的，這個時候大家還沒有意識到連續(xù)纖維3D打印可以做什么東西，等我們到了第二階段的時候這個時間高校、科研院所大量開展的去進行相應的一些工藝設(shè)備這樣的一些部件上的專利的申請2015年三部委發(fā)布的國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃中3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展上升到了國家戰(zhàn)略層面，所以這個時候，新的材料體系和新工藝的這樣一個結(jié)合，救災這個時候形成了一個初期的探索型的爆發(fā)。
到了第三階段的2019年至今，我們進入了一個行業(yè)的第一個穩(wěn)定期，這個穩(wěn)定期代表性的就是2021年工信部發(fā)改委8部門聯(lián)發(fā)十四五智能制造發(fā)展規(guī)劃中提出3D打印重要任務(wù)，各高校科研院所依然是主體，但是我們注意的是，隨著總量申請，企業(yè)申請比例大大增加了，所以下一個階段的專利申請我們即將步入以企業(yè)為主體，具有強關(guān)聯(lián)性的產(chǎn)品專利爆發(fā)期。
這個是我們這一階段主要的申請團隊的一些的一個介紹和特點，那么同樣分析了每個階段我們主體申請的這樣一個專利的類別，比如說第一階段，我們核心針對的是機體材料類型的擴展，復合材料界面優(yōu)化和成型精度，第二階段我們跳過了第一階段零探索周期之后，我們主要提升在設(shè)備相關(guān)的專利申請上的，也就是說載體在2015年-2019年第二階段成為了我們重點討論的話題，也就是說我們的3D打印機，第三階段這個時期技術(shù)發(fā)展逐漸趨于清晰了，還是與設(shè)計相關(guān)的，設(shè)備相關(guān)的專利為主，但是同時生產(chǎn)工藝的專利申請有所上升，生產(chǎn)工藝相關(guān)的專利上升其實能體現(xiàn)出的問題從設(shè)備、材料的早期探索開始和我們的終端應用場景進行密切的配合和結(jié)合了。
所以，3D打印中國專利的一個技術(shù)發(fā)展趨勢核心就是圍繞在我們材料依然走在路上，設(shè)備也還是我們當前的主體，但是我們圍繞終端打印的需求在不斷的增強和加深。
最后是我們連續(xù)纖維復合材料3D打印目前自己內(nèi)部對接的客戶，包括行業(yè)里面對接的需求，比如說航空航天，對于復雜構(gòu)建的一體化結(jié)構(gòu)這個也是我們最早合作的應用領(lǐng)域，我們的低空經(jīng)濟快速的迭代和升級，然后到我們汽車工業(yè)生產(chǎn)成本的一個降低，再到我們的具身智能圍繞我們的機器人這樣的輕度化，梯度化供應集成和智能化的發(fā)展階段，最后到我們的以人體工學為主的體育器材的連續(xù)纖維復材3D打印。
連續(xù)纖維3D打印有很多的難點和問題，材料、國產(chǎn)化材料的材料匹配穩(wěn)定性，再到我們的連續(xù)纖維以打印和傳統(tǒng)制造的纖維含量的上限到底區(qū)別有多大再到現(xiàn)在對于剛才提到的性能對于整體3D打印來講，特別是連續(xù)纖維復材料是無法逾越的鴻溝，最后我們的設(shè)計仿真能力的這樣一個上游技術(shù)能不能和我們下游形成一個有效端口對接都是我們非常重要的課題。
以上就是我的報告，歡迎行業(yè)專家、領(lǐng)導有問題可以和我們一起進行探討溝通，謝謝大家。