连续纤维复合材料3D打印技术的应用与展望
时间:2022-04-04 20:17 来源:中国机械工程学报 作者:admin 点击:次
与金属和合金相比，连续纤维增强聚合物复合材料（CFRPC）由于重量轻、比强度高，已广泛应用于汽车、飞机和航天领域。类似空客A350XWB等世界先进机型使用的复合材料占材料总重量的50%以上。如果采用先进的复合材料代替普通钢材，整体结构重量可以减少60%。
△空客A350XWB外形
然而，使用先进复合材料所支付的费用远高于传统金属材料，主要体现在原材料、制造工艺和设备与回收三个环节。过去几年出现的热塑性复合材料由于抗蠕变性高、易于加工、可充分回收利用等特点，有望成为下一代绿色复合材料。但热塑性复合材料的成型十分依赖模具，这阻碍了很多复杂复合部件的设计与制造。热塑性塑料及其复合材料是3D 打印工艺广泛使用的原材料之一。2014年，CFRPC 3D打印专利和原型机问世。在CFRPC 3D打印过程中，连续纤维被送入喷嘴中，也可以将其他材料送入喷嘴中实现共挤打印。很多智能材料，例如形状记忆高分子（SMP）、液晶弹性体（LCE）也已被用于实现多功能智能化复合材料的制造。连续纤维增强聚合物复合材料3D打印技术的出现，让先进材料与复合复杂部件融为一体。 
△Arevo连续纤维复合材料3D打印系统
热塑性复合材料3D打印工艺 ● 原位材料挤压法 由碳纤维和聚合物原位材料挤压为主的CFRPC 3D打印工艺。热塑性树脂长丝和增强纤维被送入喷嘴，聚合物长丝被加热器熔化，增强纤维在加热器中浸渍聚合物，然后共同挤出后固结并层压在热台上。 
△连续碳纤维增强复合材料3D打印
● 预浸渍复合长丝3D打印 Markforged（美国）从 2015 年开始出售MarkOne，这是世界上第一台生产连续纤维增强复合材料的商用3D打印机。下图显示了 MarkOne打印机系统的流程原理：一个印刷头有两个打印喷嘴，分别打印热塑性长丝和预浸渍复合材料长丝。与原位材料挤压相比，预浸渍复合长丝3D打印出来的部件结构更紧密，其性能也更优良。 
△ (a) MarkOne 系统的示意图；(b) 0°CF/PA复合材料试样 的横截面图；(c) 基于微螺杆原位挤压的连续纤维增强复合材料3D打印示意图；(d)3D打印设备；(e) 预挤出长丝；(f) 标准机械试样；(g)蜂窝结构部分。
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