高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料3D打印及其應(yīng)用探索

李林波

摘 要：高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是以有機(jī)聚合物為基體的復(fù)合型材料，其力學(xué)特點(diǎn)為強(qiáng)度大、高性能，非常適合在成型工藝中使用。然而由于高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料成本高、回收難，導(dǎo)致其在材料成型領(lǐng)域無法得到高效應(yīng)用。3D打印也是快速成型技術(shù)的一種，將3D打印技術(shù)用于高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的制造，為復(fù)合材料的低成本、綠色制造創(chuàng)造了可能性。

關(guān)鍵詞：高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料；高性能；應(yīng)用；3D打印

前言：

高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料由于質(zhì)量輕、耐熱性強(qiáng)、硬度大等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造領(lǐng)域，目前大部分飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼等部位的建造原材料中都有高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的影子，其為飛機(jī)減重以及飛機(jī)飛行綜合能力的提升做出了巨大的貢獻(xiàn)。傳統(tǒng)的高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料成型工藝主要分為兩個(gè)步驟：第一步是準(zhǔn)備纖維預(yù)浸料，第二步則是運(yùn)用液壓等方法將準(zhǔn)備好的纖維預(yù)浸料進(jìn)行成型加工。由于工藝步驟繁多，導(dǎo)致整個(gè)加工過程耗時(shí)長(zhǎng)且效率低。另一方面，對(duì)于剩余的高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的處理辦法通常是物理粉碎或是化學(xué)降解，但其殘留物極易對(duì)環(huán)境造成污染。因此，研發(fā)面向高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的成型工藝技術(shù)勢(shì)在必行。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)高效解決了這一難題，3D打印技術(shù)不同于其他的材料成型工藝，其操作過程簡(jiǎn)單且成本低廉，非常適合高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的成型需求。本文即對(duì)高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料3D打印工藝進(jìn)行概述并對(duì)其應(yīng)用現(xiàn)狀加以分析。

1、高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料3D打印工藝現(xiàn)狀

1.1 纖維增強(qiáng)熱固性樹脂基復(fù)合材料3D打印

纖維增強(qiáng)熱固性樹脂基復(fù)合材料3D打印大致可分為L(zhǎng)OM、SL以及3DP三種工藝技術(shù)手段。LOM即為分層實(shí)體制造工藝，其主要的工藝流程是將預(yù)先準(zhǔn)備好的預(yù)浸帶放至打印工作臺(tái)，激光將預(yù)浸帶的每個(gè)三維橫斷面按照模型參數(shù)進(jìn)行切割，再反復(fù)進(jìn)行疊加固化過程直至材料成型。國(guó)外學(xué)者已經(jīng)利用LOM工藝實(shí)現(xiàn)了對(duì)玻璃纖維的3D加工成型，且零件的抗壓程度效果非常理想。

SL即立體光固化工藝，其主要工藝流程不同于LOM技術(shù)，在將預(yù)浸帶放至打印工作臺(tái)等待激光切割前需在零件內(nèi)部放入一層連續(xù)纖維編織布。這樣在材料發(fā)生聚合反應(yīng)形成固化的過程中，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維布與樹脂基體的融合。目前該工藝技術(shù)手段在國(guó)外使用范圍較為廣泛，在國(guó)內(nèi)則應(yīng)用較少。

3DP即為三維打印工藝，是最基本的快速打印技術(shù)。其基本加工步驟是將粉末型化學(xué)材料逐層黏合固化，形成三維物體形狀。美國(guó)哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)室早年研制出了3D打印的“墨水”，即一種短切碳纖維增強(qiáng)樹脂基，可實(shí)現(xiàn)66MPa的拉伸強(qiáng)度。此外，研究人員還在該工藝上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，控制墨水流向制造出取向纖維。

1.2纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料3D打印

現(xiàn)階段被廣泛應(yīng)用的纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料3D打印工藝技術(shù)手段大致可分為SLS、FDM兩種。其中SLS選區(qū)激光燒結(jié)工藝是利用激光對(duì)工作臺(tái)上的化學(xué)原料按照設(shè)置路徑進(jìn)行逐層燒結(jié)，經(jīng)過層層固化后完成材料成型的過程。通常情況下，增強(qiáng)相的選擇以短纖維為宜，短纖維可與熱塑性樹脂基材料快速融合成復(fù)合材料，再經(jīng)過激光燒結(jié)完成成型工藝。目前，許多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將此技術(shù)廣泛應(yīng)用于商業(yè)用途，例如德國(guó)的EOS公司就已成功將碳纖維與熱塑性樹脂基材料融合，形成的復(fù)合材料經(jīng)過SLS激光燒結(jié)后快速成型為制造用加工零件。

FDM即熔融沉淀成型工藝，是利用機(jī)器的打印頭將熱塑性樹脂基復(fù)合材料加熱融合，再按照既定路徑將其輪廓堆積起來，單層輪廓經(jīng)過層層堆積后即可實(shí)現(xiàn)材料的快速成型。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)利用FDM技術(shù)創(chuàng)造出許多科研成果，如美國(guó)一汽車制造商于2014年用3D技術(shù)打印出的汽車模型中超過80%的ABS樹脂材料是通過FDM技術(shù)加工制造而成。我國(guó)許多高等學(xué)府如北京航空航天大學(xué)等也早已成功完成了材料優(yōu)化課題。

2、應(yīng)用現(xiàn)狀分析

高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料3D打印技術(shù)為復(fù)合材料的低成本快速制造提供了技術(shù)支持，在航空航天以及新能源汽車等領(lǐng)域有著良好的發(fā)展前景。但經(jīng)調(diào)查顯示，雖然3D打印技術(shù)已實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性復(fù)合材料的融合成型，卻還僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，未進(jìn)行商業(yè)化推廣。一方面原因是3D打印技術(shù)起源于上世紀(jì)90年代，發(fā)展時(shí)間較短，技術(shù)是否成熟尚未可知，另一方面則是原材料的局限性導(dǎo)致該技術(shù)不能用于零件量產(chǎn)。因此，想要將高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于日常生活，還需要不斷進(jìn)行科研探索。

3、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料3D打印技術(shù)可克服復(fù)合材料制造過程中成本高、回收難的問題，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料低成本的綠色制造，可被廣泛應(yīng)用于航空航天及新能源汽車領(lǐng)域，有著廣闊的發(fā)展前景。然而，由于原材料及技術(shù)水平限制，目前對(duì)高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料3D打印技術(shù)的應(yīng)用還僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)。因此，想要將高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料3D打印技術(shù)普及到日常的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)中還需優(yōu)化材料性能并提高技術(shù)手段。

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