突破 ! 國(guó)內(nèi)研發(fā)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂打印技術(shù)

剛剛春節(jié)過完,，南極熊就看到一個(gè)振奮人心的消息，OPM獲1000萬美元投資,，將為波音載人太空項(xiàng)目提供600個(gè)3D打印部件,，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),南極熊不由得而感嘆于塑料代替輕質(zhì)金屬合金將成為交通工具領(lǐng)域的一大趨勢(shì)。

國(guó)內(nèi)在開發(fā)塑料代替輕質(zhì)合金這一技術(shù)方向上是否與國(guó)際同步,，甚至有自己更加獨(dú)到的研究?接下來我們一起來領(lǐng)略南京航空航天大學(xué)在連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂打印技術(shù)的創(chuàng)新突破,。

熔融沉積成型(FDM)技術(shù)憑借其較低的成本和較優(yōu)異的可實(shí)現(xiàn)性，近年來取得了很大的市場(chǎng)占有率,，特別是出現(xiàn)的小型化的桌面式FDM三維打印機(jī),，使得個(gè)體用戶也可以自行設(shè)計(jì)并制造出復(fù)雜且具有一定使用功能的零件。但該工藝使用可加熱融化的熱塑性樹脂耗材為成型材料,，材料本身不具有連續(xù)性,，層內(nèi)分子團(tuán)間距較大，且逐層鋪疊的工藝特點(diǎn)也造成了較差的層間結(jié)合力,，這些特點(diǎn)都導(dǎo)致零件脆性大,，沖擊強(qiáng)度低，易變形,，承載性能差,。

國(guó)際和國(guó)內(nèi)通常在零件的設(shè)計(jì)過程中采用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的方式來優(yōu)化力學(xué)性能，亦或是在熱塑性基材中加入顆粒,，短切纖維等增強(qiáng)體,，終究不能根本上提高熔融沉積工藝所成型構(gòu)件的力學(xué)性能。特別是針對(duì)航空航天領(lǐng)域內(nèi)的復(fù)雜構(gòu)件,，輕量化和高強(qiáng)度的要求日益嚴(yán)苛,，雖然熔融沉積等增材制造工藝可以大幅度的節(jié)省原材料，降低零件制造的難度,，但其制品力學(xué)性能較差也是限制其在行業(yè)內(nèi)發(fā)展的主要原因,。

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。

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),，小編認(rèn)為復(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