巴基斯坦IST联合NUST和阿联酋Ajman大学成功研发新型连续玻璃纤维增强PLA复合材料丝材，用于高强度3D打印。该丝材通过自主设计的连续纤维生产系统，实现E玻璃纤维与PLA完美融合，拉伸强度提升至146.75MPa，刚性和耐热性显著增强。研究成果为FDM 3D打印提供了更坚固、轻量化的复合材料解决方案，助力结构件制造和工程应用。
来自巴基斯坦伊斯兰堡太空技术研究所（IST）的科研人员，与巴基斯坦国家科技大学（NUST）以及阿拉伯联合酋长国阿治曼大学合作，开发了一种新的连续纤维增强聚合物（CFRP）复合丝生产装置，该装置针对熔融沉积成型（FDM）3D打印进行了优化。该系统能够在挤出过程中精确地将连续E-玻璃纤维集成到聚乳酸（PLA）基体中，同时保持纤维对齐和聚合物封装。机械测试显示，连续玻璃纤维增强PLA丝的平均拉伸强度达到了146.75 MPa，杨氏模量为4.96 GPa，而纯PLA的相应值为60 MPa和3.68 GPa。该丝的性能与理论预测非常接近，证实了其适用于高强度增材制造应用。
该研究解决了增材制造领域的一个持久挑战：标准FDM热塑性塑料的机械性能有限。尽管PLA提供了易于加工和尺寸稳定性，但其相对较低的强度限制了其在结构部件中的应用。连续纤维增强可以显著提高打印零件的强度-重量比，但生产一致的纤维集成丝一直受到纤维断裂、错位以及基体粘附薄弱等问题的影响。
CFRP生产装置的CAD模型。图片来源：Nature。
开发可靠的复合丝工艺
为了解决这些局限性，IST领导的团队设计并制造了一个齿轮驱动的生产系统，该系统由四个集成子系统组成——绕线单元、挤出组件、加热室和拉取卷轴。该系统同步了进料和挤出速度，确保聚合物均匀缠绕在纤维上并保持一致的丝直径。优化的加工参数包括进料电机速度为30 rpm、挤出电机速度为74–75 rpm、加热器温度为165 °C，以及卷轴旋转速率10 rpm。这些值维持了稳定的材料流动并最小化了热降解。所得的连续玻璃纤维–PLA复合丝直径为1.75 ± 0.05 mm，具有光滑、无空隙的表面光洁度，适合直接用于FDM而无需修改打印机。
机械表征针对三种材料类型进行了：纯PLA、连续E-玻璃纤维以及复合丝。玻璃纤维表现出最高的刚度，其拉伸强度约为3,508 MPa，模量为74.3 GPa，而复合材料的中间值证实了基体与增强体之间有效的载荷传递。即使在低纤维体积分数2.8%的情况下，拉伸强度的2.4倍增加和刚度的1.35倍增加也证明了可以实现实质性的增强。
加热和挤出系统。图片来源：Nature。
机械测试证实了强大的纤维粘结
显微镜和光谱分析证实了强大的界面粘结和均匀的浸渍。扫描电子显微镜显示纤维被聚合物基体完全封装，并有最小空隙形成。能量色散X射线光谱显示了均匀的碳–氧组成，对应于PLA，表明聚合物完全分布在玻璃纤维周围。使用热重分析的热评估发现，在291 °C之前质量损失可忽略不计，而纯PLA的降解起始温度接近212 °C，这证实了改进的热稳定性。导数热重曲线识别了PLA基体的主要分解范围在291 °C至437 °C之间，留下了7%的炭残留，主要由玻璃纤维组成。差示扫描量热法显示玻璃化转变温度接近59 °C，熔融温度为152 °C——略高于纯PLA——表明纤维增强导致的聚合物流动性受限和增强结晶度。
实验和理论杨氏模量值分别为4.96 GPa和5.66 GPa，非常接近，验证了该丝的机械效率。研究人员指出，小偏差可能源于轻微的纤维错位和低纤维体积分数，尽管丝的完整性在张力下保持一致。
复合丝的横截面视图。图片来源：Nature。
连续纤维增强在增材制造中已被研究超过十年，但大多数实验或商业解决方案依赖于复杂的多喷嘴或共挤出系统。早期努力，包括Parandoush等人和Ismail等人的工作，展示了使用玻璃和碳纤维的激光辅助和烧结基FDM技术，但面临空隙形成和喷嘴同步挑战。后来研究引入了超声辅助和双挤出系统，如Zhang等人和Heidari-Rarani等人报道的系统，这些系统改善了粘附但增加了硬件复杂性。商业实现，如Markforged Mark Two 3D打印机，已经成功生产了碳纤维增强部件，但依赖于专有材料和受控环境。
PLA由于其生物降解性、低熔点和无需加热室即可稳定打印的特性，仍然是复合丝开发中的首选热塑性塑料。本研究中选用的E-玻璃纤维作为增强体，结合了高拉伸强度、刚度和耐腐蚀性，同时具有低成本和非导电行为——避免了碳纤维的缺点，如喷嘴磨损和电导率。通过采用基于熔融浸渍的单丝工艺而非双通道挤出，研究人员消除了先前方法中常见的纤维断裂和堵塞问题，生产了连续的、结构连贯的丝，适用于机械应用。
应力 vs. 应变描绘UTS (a) 聚合物 (b) 纤维 (c) 复合材料。图片来源：Nature。
自定义设计生产装置展示了制造连续纤维增强复合丝用于3D打印的实用且可扩展路径。机械强度、工艺稳定性和热阻力的结合使玻璃纤维–PLA复合材料成为结构FDM部件的有前景材料。虽然该研究实现了适度的纤维体积分数2.8%，但结果证实，如果保持工艺控制，更高的体积分数可以进一步增强机械性能。
