看波音公司如何通過光固化的技術(shù)來制造復(fù)合材料產(chǎn)品,？

據(jù)了解,，最近波音公司在開發(fā)連續(xù)樹脂基復(fù)合材料3D打印技術(shù),，通過光固化的技術(shù)來制造復(fù)合材料產(chǎn)品。據(jù)了解,，其基本原理包括,，通過輸送機(jī)構(gòu)推動(dòng)絲材的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)連續(xù)的3D打印過程，其中絲材包括非樹脂組分和光聚合樹脂組分,。進(jìn)給機(jī)構(gòu)包括相對(duì)的輥?zhàn)雍团c至少一個(gè)相對(duì)的輥?zhàn)咏佑|的刮刀,。

通過輸送導(dǎo)向器沿著打印路徑沉積一段連續(xù)柔性絲材，然后沿著打印路徑沉積的連續(xù)柔性絲材的一部分提供固化能量,，通過使用刮刀去除光聚合樹脂組分的殘余物,。

181125-1-Update連續(xù)柔性絲材包括預(yù)浸料復(fù)合材料和非樹脂組分，包括一種或多種纖維材料,，例如碳纖維,，玻璃纖維，合成有機(jī)纖維,，芳族聚酰胺纖維,，天然纖維，木材纖維,，硼纖維,，碳化硅纖維，光纖，纖維編織物,，金屬線,，導(dǎo)線等。連續(xù)柔性絲材與增塑劑層疊以制造復(fù)合材料部件,。

而具體采用哪一種材料,，則需要根據(jù)所需要實(shí)現(xiàn)的物理特性來決定，這些物理特性包括強(qiáng)度,，剛度,，柔韌性或硬度等。不過除了強(qiáng)度,，硬度,，柔韌性，硬度的考慮,，有時(shí)候還可以擴(kuò)展到顏色,、發(fā)光、導(dǎo)電性,，導(dǎo)熱性等方面的精確選擇,。

在加工過程中，除了可采用紫外線來固化聚合物樹脂,，還可以采用紅外光或者X射線,。

或許你會(huì)好奇為什么波音公司要開發(fā)這樣的材料，其實(shí)在波音公司宣布將600多件3D打印部件用于波音的Starliner太空出租車之時(shí),，這也意味著塑料代替輕質(zhì)金屬合金將成為交通工具領(lǐng)域的一大趨勢(shì),。

不過根據(jù)市場(chǎng)研究，波音公司開發(fā)的連續(xù)樹脂基復(fù)合材料3D打印技術(shù)不僅僅適用于航空航天應(yīng)用,，還可以應(yīng)用于其他行業(yè),，可以在車輛、海上交通工具,、航天器等應(yīng)用,。

市場(chǎng)上的連續(xù)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的3D打印方法存在以下主要問題：
- 各類纖維在出廠時(shí)，其表面活性基團(tuán)均只適應(yīng)于與熱固性樹脂的浸潤(rùn)過程,。在使用簡(jiǎn)單的措施將未處理的纖維與熔融熱塑性樹脂共混時(shí),，難以使纖維與樹脂充分浸潤(rùn)，這導(dǎo)致構(gòu)件的纖維-樹脂界面較差,。

- 大絲束纖維呈展平帶狀,，現(xiàn)有3D打印方法難以使用大絲束纖維，且小絲束纖維在成型過程中成型速度慢,，成型后的表面質(zhì)量,、纖維樹脂體積分?jǐn)?shù)、纖維樹脂分布情況、層間結(jié)合力等性能指標(biāo)難以控制,。

- 現(xiàn)有的方法在打印過程中,，由于纖維的局部分叉、斷裂,，容易造成纖維在腔體中堆積,、堵塞，對(duì)成型過程造成影響,，同時(shí),，成型軌跡中纖維呈松散、無規(guī)律的分布狀態(tài),，使得構(gòu)件的承載性能受到影響,。

根據(jù)市場(chǎng)研究，在國(guó)內(nèi),，南京航空航天大學(xué)針對(duì)現(xiàn)有的熱塑性樹脂基復(fù)合材料3D打印成形時(shí)所使用的連接纖維尺寸較小,，且不能對(duì)連接纖維實(shí)現(xiàn)有效浸漬而造成成型速度低、構(gòu)件尺寸受限較大,、成型件綜合性能低的問題,，發(fā)明了連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的3D打印方法。適用于尺寸較大的纖維絲束,，該打印技術(shù)成型速度快,，表面質(zhì)量提高，同時(shí)纖維與熱塑性基體間的界面結(jié)合性能好,，構(gòu)件纖維含量高,，纖維密實(shí)度高,，并且提高了打印構(gòu)件的力學(xué),。

南京航空航天大學(xué)還研發(fā)出連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)共混3D打印頭，其特征在于: 擠出頭連接于熔融腔也可繞中軸旋轉(zhuǎn),，且旋轉(zhuǎn)方向與熔融腔相反,；熔融腔與擠出頭內(nèi)側(cè)均有攪拌齒環(huán)，纖維束和熔融熱塑性樹脂受到兩級(jí)反向旋轉(zhuǎn)的螺旋齒環(huán)攪拌作用下均勻共混,，且共混體以螺旋狀密實(shí)纏緊成圓柱絲束,，樹脂沿纖維取向均勻分布；擠出頭擠出材料至成型區(qū)域并固化成纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料,。

南京航空航天大學(xué)的技術(shù)對(duì)當(dāng)前熱塑性復(fù)合材料成型技術(shù)是一種突破,，南京航空航天大學(xué)采用兩級(jí)旋轉(zhuǎn)腔體對(duì)纖維和樹脂的共混體進(jìn)行攪拌和纏繞，適用于較大尺寸的纖維絲束,，優(yōu)化了打印頭對(duì)纖維原有狀態(tài)的適應(yīng)性,，在相同的打印速度下，提高了打印效率，改善了構(gòu)件的表面質(zhì)量,；攪拌共混的作用下,，纖維與樹脂間的浸潤(rùn)充分，共混體中的纖維呈緊密螺旋纏繞狀,，提高了增強(qiáng)體的承載能力,，樹脂在纖維中各處分布均勻，改善了構(gòu)件的層間和界面結(jié)合性能,，提高了打印構(gòu)件的力學(xué)性能,；擠出頭的旋轉(zhuǎn)作用可使共混體在擠出后，纖維與樹脂的分布均勻,，纖維體積含量高,。

當(dāng)前針對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料成型FDM打印技術(shù)領(lǐng)域，活躍的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)包括美國(guó)Mark Forged,，日本大學(xué),、東京工業(yè)大學(xué)，西安交通大學(xué)等,。3D打印隨著南京航空航天大學(xué)將這一技術(shù)水平推向新的高度,，F(xiàn)DM技術(shù)用于連續(xù)纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料打印技術(shù)進(jìn)一步走向工業(yè)級(jí)應(yīng)用。

南京航空航天大學(xué)的突破性在于實(shí)現(xiàn)了較高力學(xué)性能連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性基體復(fù)合材料構(gòu)件的3D打印,，且成型效率高,，表面質(zhì)量好，可適用于對(duì)性能要求較高的航空航天復(fù)雜構(gòu)件的成型過程,。
從金屬到高性能材料的轉(zhuǎn)換目前是航空航天市場(chǎng)的一個(gè)既定趨勢(shì),，復(fù)合塑料成為追求設(shè)計(jì)自由度、制造便利性和輕質(zhì)以超越傳統(tǒng)鋁材的方案,。

來源：3D科學(xué)谷