纖維牽引打印：一種連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的3D打印方法

供稿人:汪鑫 田小永
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　       

金屬基復(fù)合材料是一種具有高比強(qiáng)度、高比模量、低密度、抗腐蝕等性能的“未來金屬”材料，在航空、航天、汽車等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，制備金屬基復(fù)合材料需要昂貴設(shè)備和苛刻的工藝條件，這些限制增加了金屬基復(fù)合材料的制備成本，阻礙其進(jìn)一步應(yīng)用。另外，金屬基復(fù)合材料加工難度大，現(xiàn)有的近凈成型工藝難以實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜形狀的金屬基復(fù)合材料制備。

因此，西安交通大學(xué)的Tian等人，提出一種基于毛細(xì)作用的連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料低成本、快速3D打印工藝——纖維牽引打印。Tian等人通過改性的方式，有效提高熔融金屬基體與纖維的潤濕性能，使熔融金屬在毛細(xì)作用力下自發(fā)滲入纖維單絲之間，實(shí)現(xiàn)纖維與基體的無壓、快速復(fù)合（圖1）。同時(shí)，Tian等人提出利用纖維對基體的束縛作用，克服熔融金屬的內(nèi)聚力，有效控制打印單絲的橫截面形狀。

圖1 3D打印工藝的原理示意圖及3D打印機(jī)

為了驗(yàn)證該打印方法的可行性，Tian等人利用錫鉛合金和連續(xù)碳纖維進(jìn)行3D打印，并開發(fā)出如圖1所示3D打印機(jī)。圖2為不同擠絲量、打印速度下，纖維對打印單絲橫截面形狀的控制效果，當(dāng)擠絲量小于20/100，打印速度小于3mm/s時(shí)，纖維的束縛作用明顯，橫截面呈長方形，有利于實(shí)現(xiàn)單絲的層層累加。另外，錫鉛基體在毛細(xì)作用下自發(fā)滲入纖維之間，所打印單絲具有完整的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖2 纖維對單絲橫截面形狀的束縛

之后，該團(tuán)隊(duì)還對打印的金屬基復(fù)合材料拉伸性能進(jìn)行了測試。當(dāng)改性碳纖維表面的金屬鍍層厚度為3.0μm時(shí)，復(fù)合材料性能最高能達(dá)到235.2MPa，是錫鉛基體性能的7.1倍，接近傳統(tǒng)加壓鑄造工藝的制備性能（240.0MPa）。最后，該團(tuán)隊(duì)還打印了一些傳統(tǒng)金屬基復(fù)合材料制備工藝難以制備的形狀（圖3）。Tian等人表示，該工藝還可以拓展到其他具有良好潤濕性的材料體系，有望在將來實(shí)現(xiàn)Cf/Al、Cf/Mg等復(fù)合材料打印。

圖3 3D打印金屬基復(fù)合材料樣件

參考文獻(xiàn)：
Wang X , Tian X , Lian Q , Dichen L. Fiber Traction Printing: A 3D Printing Method of Continuous Fiber Reinforced Metal Matrix Composite[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2020, 33(1).