連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)的應(yīng)用與展望

來源：中國機(jī)械工程學(xué)報(bào)

與金屬和合金相比，連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（CFRPC）由于重量輕、比強(qiáng)度高，已廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)和航天領(lǐng)域。類似空客A350XWB等世界先進(jìn)機(jī)型使用的復(fù)合材料占材料總重量的50%以上。如果采用先進(jìn)的復(fù)合材料代替普通鋼材，整體結(jié)構(gòu)重量可以減少60%。

△空客A350XWB外形

然而，使用先進(jìn)復(fù)合材料所支付的費(fèi)用遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)金屬材料，主要體現(xiàn)在原材料、制造工藝和設(shè)備與回收三個(gè)環(huán)節(jié)。過去幾年出現(xiàn)的熱塑性復(fù)合材料由于抗蠕變性高、易于加工、可充分回收利用等特點(diǎn)，有望成為下一代綠色復(fù)合材料。但熱塑性復(fù)合材料的成型十分依賴模具，這阻礙了很多復(fù)雜復(fù)合部件的設(shè)計(jì)與制造。

熱塑性塑料及其復(fù)合材料是3D 打印工藝廣泛使用的原材料之一。2014年，CFRPC 3D打印專利和原型機(jī)問世。在CFRPC 3D打印過程中，連續(xù)纖維被送入噴嘴中，也可以將其他材料送入噴嘴中實(shí)現(xiàn)共擠打印。很多智能材料，例如形狀記憶高分子（SMP）、液晶彈性體（LCE）也已被用于實(shí)現(xiàn)多功能智能化復(fù)合材料的制造。連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，讓先進(jìn)材料與復(fù)合復(fù)雜部件融為一體。

△Arevo連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印系統(tǒng)

熱塑性復(fù)合材料3D打印工藝

● 原位材料擠壓法

由碳纖維和聚合物原位材料擠壓為主的CFRPC 3D打印工藝。熱塑性樹脂長絲和增強(qiáng)纖維被送入噴嘴，聚合物長絲被加熱器熔化，增強(qiáng)纖維在加熱器中浸漬聚合物，然后共同擠出后固結(jié)并層壓在熱臺上。

△連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印

● 預(yù)浸漬復(fù)合長絲3D打印

Markforged（美國）從 2015 年開始出售MarkOne，這是世界上第一臺生產(chǎn)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的商用3D打印機(jī)。下圖顯示了 MarkOne打印機(jī)系統(tǒng)的流程原理：一個(gè)印刷頭有兩個(gè)打印噴嘴，分別打印熱塑性長絲和預(yù)浸漬復(fù)合材料長絲。與原位材料擠壓相比，預(yù)浸漬復(fù)合長絲3D打印出來的部件結(jié)構(gòu)更緊密，其性能也更優(yōu)良。

△ (a) MarkOne 系統(tǒng)的示意圖；(b) 0°CF/PA復(fù)合材料試樣 的橫截面圖；(c) 基于微螺桿原位擠壓的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印示意圖；(d)3D打印設(shè)備；(e) 預(yù)擠出長絲；(f) 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械試樣；(g)蜂窩結(jié)構(gòu)部分。

CFRPC 3D打印技術(shù)應(yīng)用

● 航空航天輕質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)

在航空航天工業(yè)中，碳纖維增強(qiáng)混凝土由于具有較高的強(qiáng)度和剛度備受矚目。NASA與Made In Space合作完成了世界上第一個(gè)3D打印空間實(shí)驗(yàn)，并于2014年在國際空間站制造了20多個(gè)PLA樣品。

中國空間技術(shù)研究院與西安交通大學(xué)合作，于2020年成功完成了中國首個(gè)使用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料的航天器3D打印實(shí)驗(yàn)。NASA提出利用空間機(jī)器人構(gòu)建連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的大型空間站外結(jié)構(gòu)。但是，為了滿足高真空、大溫差、強(qiáng)輻射等航空航天的高要求，3D打印的原材料和性能還需進(jìn)一步提升。

△空間3D打印：（a），（b）純 PLA ；(c) 連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料；(d) 用于大型結(jié)構(gòu)的SpiderFab；(e) 用于無人機(jī)的3D打印 CFRC 結(jié)構(gòu)。

● 消費(fèi)產(chǎn)品

CFRPC 3D打印技術(shù)在汽車、運(yùn)動等一些民用領(lǐng)域也顯示出廣泛的應(yīng)用前景，不僅可以節(jié)省模具的生產(chǎn)成本，而且因重量輕而降低能耗。典型案例是由阿雷沃公司生產(chǎn)的自行車車架。傳統(tǒng)的自行車車架由數(shù)百個(gè)零件制成，這些零件分別生產(chǎn)后被螺栓固定在一起。而連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料硬殼式自行車車架通過簡單的 3D 打印工藝制造，3D 打印技術(shù)也可以根據(jù)騎手的身高、體重和習(xí)慣量身定制車架。

△CFRC自行車車架的3D打印：（a）制造工藝；(b) 最終產(chǎn)品。

● 制造業(yè)夾具與工具

大多數(shù)3D打印的熱塑性聚合物或短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械性能相對較低，因此只能用于制造一些原型部件。通過3D打印技術(shù)制作出來的連續(xù)纖維復(fù)合材料部件具有較高強(qiáng)度，可直接用作最終部件。打印材料更輕，不會損壞工件表面。Dixon Valve公司制造了機(jī)器人末端執(zhí)行器采用的連續(xù)纖維夾具，與傳統(tǒng)工藝相比，制作成本降低96.8%，生產(chǎn)時(shí)間縮短87%， GE公司也利用同樣的方法制作了噴嘴檢測夾具。

△3D 打印CFRC夾具和工具：（a）機(jī)器人末端執(zhí)行器夾具；(b) 檢測夾具。

CFRPC 3D打印的未來

● 可回收的綠色復(fù)合材料


隨著CFRPC使用量的與日俱增，復(fù)合材料的可回收性正成為工業(yè)應(yīng)用的限制所在。尤其是熱固性復(fù)合材料，如今尚未得到適當(dāng)?shù)幕厥绽谩?br />
基于CFRPC 3D打印技術(shù)，在PLA復(fù)合材料的回收和再制造的基礎(chǔ)上，很多學(xué)者提出了一種高性能連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的清潔生產(chǎn)模式。連續(xù)碳纖維和PLA基體以PLA浸漬碳纖維長絲的形式從3D打印復(fù)合材料組件中回收，并作為3D打印工藝的原材料重新利用。同時(shí)，高分子纖維和天然纖維也可在3D打印工藝中回收利用，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn)。

△可回收的復(fù)合材料：(a) CFRTPC 的清潔生產(chǎn)模式；(b) 復(fù)合材料的回收循環(huán)；(c)全纖維液晶聚合物復(fù)合材料的3D打印。

● 智能復(fù)合材料的增材制造

CFRPC 3D打印可以制造集成傳感、驅(qū)動、計(jì)算和通信的生物系統(tǒng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。蓬勃發(fā)展的研究工作極大地?cái)U(kuò)展了其在多材料中的應(yīng)用領(lǐng)域，這些材料具有多種智能功能，如傳感、驅(qū)動、計(jì)算、通信等。在全球研究人員的不懈努力下，CFRPC的范圍已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出3D打印，它旨在融合多領(lǐng)域和n維印刷。同時(shí)開發(fā)智能增材制造工藝和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)復(fù)合材料或多材料結(jié)構(gòu)的自動化和智能制造。3D打印設(shè)備可以嵌入各種傳感器和執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)制造的過程檢測和閉環(huán)控制。

△智能復(fù)合材料3D打印從3D到nD

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S277266572200006X