2. FDM复合长丝材料
熔融沉积成型（FDM）技术常用的基础材料是热塑性塑料，例如聚乳酸（PLA）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚酰胺（尼龙）等。为了提升性能，研究者们开发了多种复合长丝，根据增强体的类型主要可分为颗粒增强、纤维（短纤维与连续纤维）增强和纳米颗粒增强三大类。
颗粒增强复合材料通过将金属（如铁、铜）或陶瓷（如羟基磷灰石HA）颗粒引入聚合物基体，旨在改善材料的导热、导电或射线屏蔽等功能特性，但可能导致拉伸强度下降。短纤维（如碳纤维CF、玻璃纤维）能有效提高基体的强度和刚度，并减少成型收缩，但可能加剧喷嘴磨损。连续纤维增强则能显著提升力学性能，实现更好的载荷传递，但也面临层间分层和生产成本高的挑战。纳米颗粒（如二氧化硅SiO2、氧化石墨烯GO）的加入可在一定程度上补偿纯聚合物打印的局限性，如翘曲，并能提高模量和强度，但过量填充易导致团聚和脆性。
3. FDM的局限性与挑战
3.1. 孔隙形成与定量缺陷表征
FDM制造部件中最常见的问题之一是孔隙的形成，这严重影响了制件的最终质量。孔隙率通常在4%至18.5%之间，受长丝质量、打印参数（如打印速度、层厚）和材料本身影响。孔隙会降低层间结合强度，限制疲劳强度和断裂韧性。孔隙的定量表征参数包括孔隙含量、尺寸、形状和空间分布，可采用密度法（ASTM D2734）、显微镜图像分析、X射线计算机断层扫描（CT）等破坏性或非破坏性方法进行检测。减少孔隙对于制造高性能部件至关重要。
3.2. 层间粘附与弱结合
FDM部件强度弱的另一个关键原因是层间粘附不足。这源于挤出长丝从熔融温度到环境温度的快速冷却，导致可用于分子扩散和链缠结的时间不足。粘结过程包括紧密接触、分子扩散和随机卷曲三个阶段。提高构建室温度或采用局部加热（如红外加热）可延长扩散时间，改善粘结。然而，碳纤维等增强体的加入会提高复合材料的热导率，加速冷却，反而可能不利于层间粘结。
3.3. 工艺-机理关联与打印参数优化
FDM工艺参数，如喷嘴温度、构建板温度、打印速度、层厚、填充图案和栅格角度等，通过影响热历史和微观结构，最终决定部件的力学性能。研究表明，存在一个优化的工艺窗口：喷嘴温度需在材料熔融温度和降解温度之间，构建板温度最好接近材料的玻璃化转变温度（Tg），打印速度不宜过快。例如，对于碳纤维增强聚酰胺6（CF/PA6），最佳喷嘴温度约为260°C，构建板温度在80-105°C之间可获得良好的层间结合。不合理的参数组合会导致热降解、粘结不完全、翘曲、底座变形等问题。
4. FDM的比较评估
与其他制造技术相比，FDM在原型制造和小批量生产方面具有初始投资低、成本效益高的明显优势。然而，其部件通常表现出各向异性，力学性能（尤其是强度和韧性）低于传统的注塑成型（IM）零件。选择性激光烧结（SLS）和立体光刻（SLA）在某些方面（如尺寸精度、表面质量）可能优于FDM，但FDM在材料多样性和设备成本上仍有竞争力。FDM要成为高性能功能部件的可行制造方案，必须解决其固有的各向异性和性能限制。
5. FDM打印部件的实际应用与新趋势
5.1. 实际应用
FDM打印的聚合物复合材料已在多个领域获得实际应用。在医疗领域，用于制造定制化的植入物、手术导板、矫形器、假肢以及药物控释支架。在航空航天领域，用于制造无人机（UAV）部件、飞机内饰件等轻量化结构。在汽车工业，用于制造加速踏板等功能性原型件或备件。此外，在传感器、齿轮等需要特定功能或复杂结构的部件制造中也展现出潜力。
5.2. 功能梯度增材制造（FGAM）
功能梯度增材制造（FGAM）是FDM技术的一个重要发展方向，它通过在构件内部实现材料成分、结构或性能的连续梯度变化，来满足特定功能需求。实现FDM的FGAM通常需要对硬件和软件进行升级，例如采用多材料单喷嘴（MMSN）系统进行原位混合，或使用预先设计的数字材料（DM）长丝。
5.3. 4D打印与形状记忆复合材料制造
4D打印是指3D打印的物体在外部刺激（如热、光、湿度）下随时间发生形状、性能或功能的可编程变化。利用FDM技术打印形状记忆聚合物（SMP）或其复合材料，可以通过编程打印路径（利用FDM固有的各向异性）或使用多材料来实现复杂的形状变换行为，在可展开结构、智能医疗设备等领域有广阔前景。
5.4. 智能拓扑优化与熔融沉积建模
将拓扑优化（TO）与FDM工艺特性相结合是另一个前沿方向。智能拓扑优化考虑FDM制件的各向异性特性及工艺约束（如最小特征尺寸、悬垂角度），利用人工智能（AI）和机器学习（ML）技术同时优化结构形状和材料沉积方向，从而设计出既满足性能要求又易于制造的最优结构。
6. 结论与未来展望
尽管FDM在制造聚合物基复合材料功能部件方面面临层间粘附弱、孔隙率高、各向异性明显等挑战，但其在定制化、复杂结构成型和低成本方面具有不可替代的优势。未来的研究应侧重于从物理机制层面深入理解工艺-结构-性能之间的关系，通过开发新材料、优化工艺参数、引入在线监测与智能控制，以及探索功能梯度材料（FGM）、4D打印等新范式，推动FDM从快速原型技术向可靠的、可用于制造高性能复合材料部件的工业化增材制造技术转变。
