高性能連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印設(shè)備及工藝

來源：西安交通大學(xué)青島研究院

項(xiàng)目簡(jiǎn)介
本項(xiàng)目以連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性聚合物基高性能復(fù)合材料零件直接 3D 打印為目標(biāo),，采用連續(xù)纖維與熱塑性聚合物為原材料,，利用復(fù)合浸漬-熔融沉積的 3D打印工藝實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件的低成本一體化快速制造,，與現(xiàn)有的復(fù)材制造技術(shù),，如熱壓罐成型技術(shù),、傳遞模型（RTM）成型技術(shù),、纏繞成型技術(shù),、自動(dòng)鋪放技術(shù)相比，復(fù)合材料 3D 打印工藝的主要優(yōu)勢(shì)在于成本低,、周期短,，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)符合材料構(gòu)件的快速制造。

技術(shù)指標(biāo)
1. 桌面型連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 3D 打印機(jī)
團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了桌面型連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 3D 打印機(jī),，所制備的 Cf/PLA復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度達(dá)到了 390MPa,，是傳統(tǒng) PLA 零件（48-53MPa）的 7 倍，性能與鋁合金相當(dāng),，重量減少五分之二,。

2. 大尺寸高速高穩(wěn)定性連續(xù)纖維復(fù)合材料 3D 打印機(jī)
團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了高速打印噴頭系統(tǒng)，采用雙噴頭打印模式,，一個(gè)噴頭用于纖維干絲的復(fù)合打印,，另一個(gè)噴頭用于支撐等輔助材料的打印，同時(shí)具有連續(xù)纖維的在線剪斷-續(xù)打處理功能,，可實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)合材復(fù)雜構(gòu)件的一體化快速制造,，滿足工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ诖蟪叽鐦?gòu)件的應(yīng)用需求，適用于航空航天,、汽車交通等領(lǐng)域,。

3. 復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)一體化制造技術(shù)
連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于航空航天,、高速列車和船舶等領(lǐng)域，然而傳統(tǒng)制造工藝方法對(duì)其一體化成型,，成型周期長(zhǎng),、成本高，限制了復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,。團(tuán)隊(duì)提出了基于連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的一體化制造工藝,，所制備的連續(xù)芳綸纖維增強(qiáng) PLA 復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，再纖維含量達(dá)到 11％時(shí),，抗壓性能達(dá)到 17MPa,，優(yōu)于傳統(tǒng)制造方式的波紋輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。

4. 高效電磁屏蔽復(fù)合材料可控制造技術(shù)
隨著電磁污染日益加重,，高性能電磁屏蔽復(fù)合材料越來越受到關(guān)注,，利用連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 3D 打印工藝可實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽材料的可控制造，所制備材料的電磁屏蔽效能,、彎曲強(qiáng)度,、拉伸強(qiáng)度分別達(dá)到 75.6dB、105MPa和 125MPa,，且屏蔽效能在 8-75.6dB 內(nèi)可調(diào),，其良好的電磁屏蔽性能、機(jī)械性能,、加工性能以及較低的加工成本使其在航空系統(tǒng)和衛(wèi)星天線領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景,。

5. 短切碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件選區(qū)激光燒結(jié)成形
選區(qū)激光燒結(jié)以 CO2激光器作為熱源，以增強(qiáng)纖維與聚合物的復(fù)合粉末作為原材料來完成纖維增強(qiáng)工程塑料復(fù)合材料的 3D 打印,。目前,，采用選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)，可完成碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料以及碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的制備,，與純樹脂的制件相比,，復(fù)合材料具有更高的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱溫度,、制件精度等,。適合于航空航天、汽車和消費(fèi)品等行業(yè)需要優(yōu)化形狀,、重量的部件及受力結(jié)構(gòu)件的終端制造,，中小批量的快速制造，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)功能零件的制造尤為適合,。

市場(chǎng)前景及應(yīng)用
該技術(shù)屬于國內(nèi)首創(chuàng),，獲得多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，受到國內(nèi)外越來越多機(jī)構(gòu)的關(guān)注,，在國內(nèi),，本項(xiàng)目得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、國家自然科學(xué)基金,、載人航天等項(xiàng)目的支持,，開展關(guān)于工藝機(jī)理與裝備等方面的研究，探索該工藝在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景,，在國外,，分別與德國、俄羅斯等研究單位合作對(duì)該工藝的材料以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開展研究,，研究水平國內(nèi)外領(lǐng)先,。

在當(dāng)今全球 3D 打印領(lǐng)域快速發(fā)展的形勢(shì)下，復(fù)合材料 3D 打印具有巨大的發(fā)展前景,，據(jù) SmarTech 預(yù)測(cè),，至 2026 年全球用于 3D 打印的復(fù)合材料收入將超過5 億美元，未來十年內(nèi)復(fù)合材料將成為 3D 打印最主要的市場(chǎng)機(jī)遇,，目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出了成熟的工業(yè)設(shè)備,，形成了成熟的裝備-材料-工藝體系，具備了商業(yè)化應(yīng)用的條件,，已經(jīng)初步在復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面得到應(yīng)用,，隨著該技術(shù)的成熟，將來必將在航空航天,、汽車交通甚至民用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,。

項(xiàng)目專家
【田小永】（機(jī)械學(xué)院）

【研究領(lǐng)域】
1）功能、結(jié)構(gòu)一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)與3D打印,，如超材料新型微波器件,、結(jié)構(gòu)電子等；

2）多材料,、復(fù)合材料3D打�,。ㄔ霾闹圃欤┘夹g(shù)及其應(yīng)用研究。