巴基斯坦团队制备玻纤连续纤维的FDM3D打印耗材方案

AM易道材料/学术分享

我们经常聊到一个FDM3D打印的话题：强度。

PLA好打，但性能软；

ABS、PC强点，但打印条件又麻烦。

我们都清楚，想让FDM真正扛起结构件的大梁，连续纤维增强（CFRP）是绕不过去的坎。

要说强度，我们看到碳素（FibreSeek）即将发布的桌面级设备做了一些非常有趣的工作：

这些年，我们看了不少连续纤维解决方案。

双喷头共挤系统、原位浸渍、激光辅助的复杂工艺等等。

但今天我们要聊的是一种新的解决方法。

不改造FDM打印机，而是把力气花在了上游。

如何造出一卷连续纤维增强耗材。

来自巴基斯坦空间技术研究所（IST）、国立科技大学（NUST）以及阿联酋阿治曼大学的研究团队，研究出的一套新的连续纤维复合耗材生产装置。

相比于碳索或者Markforged的碳纤积累，本文探讨的耗材是玻纤基，强度虽远不如碳纤，但提供了一个耗材制备新思路。

拆解制备：从源头解决纤维浸润与对齐

做连续纤维耗材，难点不在于把纤维和塑料混在一起，而在于怎么让每一根连续的纤维丝束，都被熔融的聚合物均匀、饱满地包裹住，并且在整个拉丝过程中保持绝对对齐。

做不到位，耗材内部就会充满微小的空隙，纤维和基体之间就是貌合神离，打印出来的零件一受力，载荷根本无法有效传递，强度自然上不去。

更别提纤维在制备过程中还容易断裂、堵塞。

这套新装置，核心就是一套齿轮驱动的生产系统。

它由四个关键子系统精密协同：缠绕单元、挤出组件、加热室和牵引线轴。

这个设计的精髓在于同步。

它通过精密的齿轮传动，让纤维的进给速度和聚合物的挤出速度严格匹配。

简单来说，E-glass玻璃纤维（增强体）匀速地走过来，而PLA（基体）被精确地熔融并裹上去。

我们来看看他们公布的工艺参数：

进料电机转速30rpm，挤出电机转速74-75rpm，加热器温度，线轴转速10rpm。

这些数字共同实现了一个目标：

在保证PLA充分熔融浸润纤维的同时，又避免了材料的热降解，并且确保了最终的线材直径稳定。

他们用的不是复杂的双通道共挤，而是基于熔融浸渍（melt-impregnation）的单丝工艺。

本质上就是让固态的玻璃纤维穿过液态的塑料"水帘"。

这比传统的双通道共挤要简单得多，不需要分别控制两种材料的挤出，也就自然避免了纤维在复杂通道里折断或堵塞喷头的风险。

最终，他们稳定地产出了直径为1.75±0.05mm的耗材。

这个公差控制，意味着它能直接兼容市面上绝大多数FDM打印机，无需任何改装。

2.8%的纤维占比，2.4倍的强度提升

来看看这卷新的玻纤-PLA复合耗材的成绩单。

研究团队对比了三种材料：

纯PLA、纯E-glass纤维束，以及他们制造的复合耗材。

纯PLA（对照组）平均拉伸强度约60MPa，杨氏模量3.68GPa。这是我们熟悉的水平。

复合耗材（实验组）平均拉伸强度达到了146.75MPa，杨氏模量4.96 GPa。

拉伸强度提升了2.4倍，刚度（杨氏模量）提升了1.35倍。

最关键的一点来了：实现这个性能飞跃，纤维的体积占比（Fiber Volume Fraction, FVF）仅为2.8%！

在复合材料领域，2.8%是一个非常低的占比。

但就是这么一点点骨架，带来了翻倍的性能。

这充分说明了他们这套生产工艺的效率极高，纤维和基体之间的载荷传递非常有效。

微观证据：纤维到底吃透了多少PLA？

性能提升只是表象，我们更关心的是微观层面的为什么。

研究团队也给出了详尽的表征分析。

首先是SEM（扫描电子显微镜）。

在显微镜下，能清楚地看到E-glass纤维被PLA基体完全、均匀地包裹着，几乎没有看到明显的气泡或空隙。

这就是我们前面说的浸润做到了位。

纤维和基体之间形成了牢固的界面结合，这是保证力学性能的前提。

再看热性能（TGA和DSC）。

TGA（热重分析）显示，纯PLA在212度左右就开始扛不住了（起始降解），而这种复合耗材的起始降解温度提高到了291度。

热稳定性的大幅提升，意味着它在打印过程中乃至后续使用中，对温度的耐受性更强了。

DSC（差示扫描量热法）则显示，复合耗材的玻璃化转变温度约 59°C，熔点约 152°C，都略高于纯PLA。

这个细微的变化很有意思，它说明纤维的存在锁住了聚合物链的运动，限制了其活动性，从而在宏观上提升了材料的结晶度和热稳定性。

最后，他们还做了理论验证。

实验测得的杨氏模量（4.96 GPa）与理论计算值（5.66 GPa）非常接近。

这点偏差主要归因于极低纤维占比和加工中不可避免的微小错位。

但如此高的吻合度，已经强有力地证明了这种耗材的力学效率。

为什么选PLA+玻纤？这个组合的商业潜力

聊完技术，我们再从战略和商业角度看看这个选择。

在众多的热塑性塑料中，为什么选PLA？

PLA的生物降解性、低熔点、打印稳定性（不易翘曲、无需加热仓）是它最大的优势。

这种基于PLA的复合耗材，其打印门槛是最低的，最容易被广大的FDM用户群体所接受。

那为什么是E-glass（E-玻璃纤维）而不是更高大上的碳纤维（CF）？

E-glass拥有高拉伸强度、高刚度和耐腐蚀性。

虽强度和电磁屏蔽性能不如碳纤，但它的优势还在于：

不导电：尤其在一些电子封装、无人机框架等需要绝缘的应用中。

IST团队的这个方案，本质上是提供了一种低成本、高效率、高兼容性的连续纤维耗材生产路径。

撬动FDM结构件应用的中间市场

我们回过头来看这个研究的意义。

它不是一个颠覆性的、从0到1的全新发明，但它可能是一个有价值的中间方案。

目前FDM的增强方案基本是两极分化：

要么是Markforged/Fibreseek这类基于硬件的整体解决方案；

要么就是市面上常见的短切碳纤维/玻纤增强耗材（比如PLA-CF）。

短切纤维能提升一定的刚性，但对强度的提升非常有限，因为它不是连续的。

而IST团队的这个成果，恰好卡在了中间位置。

它展示了一种低门槛实现高性能的可能性。

如果这种生产装置可以被放大、被复制，那么市场上就可能出现大量价格合理、性能远超纯PLA，并且能用普通FDM打印机直接打印的准结构件耗材。

这对于无人机、机器人、汽车功能原型、定制化工装夹具等领域来说，市场存在。

但真正应用连续纤维，AM易道想说，并不简单的是在任何FDM设备上换一卷耗材，就能获得2-3倍的性能提升那么简单。

连续纤维的丝材铺设路径逻辑和传统FDM尚有区别，并不能直接迁移使用。

在碳纤维FDM领域，据说FibreSeek众筹已经把工业级价格达到了消费级区间，未来AM易道也会针对这类设备分析连续纤维设备和传统FDM设备的本质区别。

但这不影响广大耗材企业参考文中方案思考如何用更平价简易的方案生产连续纤维的耗材。

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