3D科學(xué)谷不由得好奇，國(guó)內(nèi)在開(kāi)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？本期，3D科學(xué)谷與谷友一起來(lái)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(shù)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(lái)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(shù)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(guò)程中采用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的方式來(lái)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(shù)脂基復(fù)合材料的3D打印方法存在以下主要問(wèn)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(shù)脂的浸潤(rùn)過(guò)程。在使用簡(jiǎn)單的措施將未處理的纖維與熔融熱塑性樹(shù)脂共混時(shí)，難以使纖維與樹(shù)脂充分浸潤(rùn)，這導(dǎo)致構(gòu)件的纖維-樹(shù)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(guò)程中成型速度慢，成型后的表面質(zhì)量、纖維樹(shù)脂體積分?jǐn)?shù)、纖維樹(shù)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(guò)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(guò)程造成影響，同時(shí)，成型軌跡中纖維呈松散、無(wú)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(shù)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(wèn)題，發(fā)明了連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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，3D科學(xué)谷認(rèn)為FDM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(guò)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)，3D科學(xué)谷認(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。