这篇综述文章探讨了增材制造（AM）与计算设计如何推动高性能复合材料的创新。研究表明，通过AM和拓扑优化的结合，能够精准控制纤维方向、材料分布和形状设计，从而实现传统制造无法达到的结构、热、电子和响应行为。这些方法不仅消除了模具需求，降低了小批量生产成本，还支持复杂或多材料特性的集成。复合材料的应用覆盖了航空航天、能源、机器人和生物医学领域。文中还介绍了不同的3D打印技术，如熔融沉积、光聚合和粉末床融合，以及与增材制造相关的自修复、导电和热性能等功能性复合材料的开发。未来，拓扑优化、可持续材料和数字双胞胎等技术将进一步推动这一领域的发展。
一篇发表在《Nature Communications》上的综述文章，由科罗拉多大学和乔治亚理工大学的研究人员撰写，概述了增材制造（AM）与计算设计如何推动新一代高性能复合材料的开发。该文回顾了用于复合材料的3D打印技术，特别是含有纳米粒子、短纤维和连续纤维的复合材料，同时介绍了用于定制结构和功能的优化方法。
增材制造与拓扑优化的融合使得能够精确控制纤维方向、材料分布和形状设计，从而实现结构、热、电、响应等行为，这些是传统制造方法无法实现的。这些方法消除了对模具的需求，降低了小批量生产的成本，同时支持复杂或多材料特性的集成。应用领域涵盖了航空航天、能源、机器人和生物医学等行业。
打印技术及其应用
材料挤出、浴式光聚合和粉末床熔融是打印复合材料中最常用的技术。在熔融沉积成型（FFF）和直接墨水写入（DIW）中，短纤维被分散到热塑性塑料或可固化树脂中。基于光聚合的工艺，如立体光刻和数字光处理，使得复合材料能够高分辨率打印，并能够加入功能性纳米粒子。然而，高填料含量可能会限制光的渗透能力。超声波对齐和前端聚合等方法被用来解决这一问题，并改善树脂固化。
磨碎的纤维和切割纤维能够提高机械强度，但均匀分散仍然是一个挑战。前端聚合已被应用于促进不透明纤维的固化。在DIW系统中，防堵喷嘴和剪切变稀的墨水允许更高的纤维含量。在DLP系统中，超声波或电场技术被用于在打印过程中对齐纤维，从而增强其方向性能。
连续纤维增强复合材料
连续纤维增强材料提供了最佳的机械性能。在FFF系统中，纤维通过喷嘴浸渍或预浸丝纤维方式与树脂结合。微波辅助加热、热压和激光辅助固化被用于加强层间的结合力并减少孔隙。美国连续纤维打印公司Continuous Composites Inc.开发的UV固化树脂系统采用后沉积固化技术，可以实时固化热固性复合材料，这些方法已经证明能够提高结构的保真度并减少支撑需求。
另一种方法是将连续纤维打印在树脂浴下方，并通过聚焦激光进行固化。这使得能够实时调整纤维体积、基体材料和几何形状。两阶段UV固化树脂通过后加热阶段实现了基体刚度提高多达11倍，并引入了修复性和可回收性。基于玻璃化系统的技术进一步提高了纤维间的结合力，使得热固性复合材料可以多次进行自我修复。
机器人臂集成与响应行为
机器人臂集成扩展了复合材料打印的几何灵活性。六轴机器人被用来在扫描基材上沉积UV固化复合材料，从而实现平面和曲面上的制造。一种工艺将树脂浸渍、挤出、压缩和UV固化结合起来，生产出具有航空级层压板性能的连续纤维增强结构。
通过液晶弹性体（LCEs）制成的形状变化复合材料引入了响应行为。这些材料能够对外部刺激，如温度、红外光或电场作出形变。在DIW打印中，液晶分子的对齐使得形变更加均匀。共轴DIW技术被用于打印充满液态金属的中空LCE纤维，从而实现电驱动形变。嵌入LCE中的连续纤维可以增加驱动力，并实现复杂的运动，包括卷曲、扭转和折叠。
其他形变机制
其他形变机制包括嵌入磁性颗粒，使其在磁场下重新定向，或者在DIW打印的水凝胶中剪切对齐纤维素纳米纤维，以实现各向异性膨胀。FFF打印的双层结构，由于材料的热膨胀系数不匹配，展示了可编程弯曲。这些行为可以通过在打印过程中调整纤维位置和方向来进行调节。
功能性热电材料的开发
正在开发具有功能性热电性能的复合材料，采用对准的导电填料。FFF打印的石墨片复合材料显示出更高的平面热导率，而DIW打印的碳纤维系统则充当应变传感器。机械加载下的电导率变化能够用于结构健康监测。连续纤维也被嵌入到格栅支架和假肢中，作为传感元件。
通过PLA-碳纤维复合材料，已经展示了电磁屏蔽功能，达到38.5 dB的衰减效果。双层超材料结构结合石墨烯和碳纤维，实现了63 dB的屏蔽效果和32 GHz的吸收带宽。通过使用碳纤维作为阳极和电流收集器，聚合物基体作为阴极和固体电解质，已经实现了能量存储功能，制造出具有机械支撑和电功能的结构电池。
自修复复合材料
使用多种策略引入了自修复性能。在热塑性材料中，通过重新加热可以使聚合物链进行交联，从而修复裂纹。短纤维和连续碳纤维被作为嵌入的受热焊接材料，允许局部修复。基于微胶囊的系统被嵌入到FFF丝料和基体中，在断裂时释放修复剂，达到80%以上的强度恢复率。嵌入UV固化热固性材料中的玻璃化网络支持多次自我修复，而无需外部胶囊，并改善了连续纤维系统的层间附着力。
拓扑优化与未来展望
拓扑优化已成为结构和功能设计的核心工具。早期的框架采用基于密度的方法，使用局部体积分数变量来分布材料并根据应力场对纤维进行对齐。优化输出通过多尺度工作流转化为可打印的纤维布局。水平集方法通过B样条控制定义形状边界和纤维方向，提高了几何精度，消除了后处理过滤的需求。
通过优化设计的功能性复合材料，已能够实现非线性形变、热调节和磁驱动的驱动。利用拓扑优化纤维布局设计的DIW打印机器人鱼类，游泳速度提高了50%，转弯半径减少了55%。其他研究开发了磁化编码复合材料，用于形状变化，以及基于入口和出口位置优化热流的冷板。
大格式应用与可持续材料
由于其较高的沉积速率和较低的材料成本，基于颗粒的挤出系统正在大格式应用中崭露头角。这些系统能够实时调节纤维或填料的含量，实现层间成分梯度。机器人臂进一步增强了这些系统的可扩展性和几何范围。然而，热收缩、翘曲和层间结合力仍然是关键挑战。未来需要改进材料配方、后处理和工艺建模，以推动结构规模的制造。
可持续材料也越来越受到关注。天然纤维如大麻、亚麻和黄麻已被用于生物基基体（如聚乳酸）中，制造出完全可降解的复合材料。尽管机械性能和界面兼容性仍需进一步研究，但这些系统在汽车内饰、包装和建筑组件等领域显示出潜力。
综述强调了模拟、传感和制造的整合。
数字双胞胎与现场监测相结合，可以实现打印过程的实时预测控制。需要更先进的模型来捕捉树脂固化动力学、纤维对齐以及在复杂条件下的机械响应。将这些模型与设计工具和工艺约束结合，可以实现产品拓扑、纤维布局和打印参数的协同优化。
