波蘭科學(xué)院提出解決3D打印高性能聚合物復(fù)合材料3Dfy新方法

2022年9月7日，南極熊獲悉，來自波蘭科學(xué)院的研究人員將要開展一項(xiàng)名為“高性能聚合物復(fù)合材料的3D打印（3Dfy）”的項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在提出一種創(chuàng)新的打印工藝，即采用UD熱塑性預(yù)浸料帶作為原料進(jìn)行復(fù)合材料3D打印。該方法的競爭優(yōu)勢在于原料材料的低成本和高質(zhì)量性能，以及材料的多樣性和對(duì)最終用戶的開放性。

長期以來，連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物的3D打印一直是增材制造領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。這也間接導(dǎo)致了一個(gè)高度競爭的格局存在，包括來自開發(fā)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的參與者，從大學(xué)到研究中心（如DLR、NLR、ESA、JAXA、ORNL、Fraunhofer研究所等）再到工業(yè)上。這些挑戰(zhàn)者包括中小企業(yè)深層技術(shù)創(chuàng)新的初創(chuàng)公司（如Markforged、Anisoprint、9T實(shí)驗(yàn)室、Arevo實(shí)驗(yàn)室、APS技術(shù)解決方案、Continuous Composites等）和大公司（如波音、空客、英格索爾、CEAD等）。

3Dfy 項(xiàng)目在西班牙赫羅納大學(xué)有一個(gè)初始的 2019-2021 RDI 階段，由加泰羅尼亞商業(yè)競爭力機(jī)構(gòu)ACCIó的歐盟MSCA共同基金TECNIOspring+計(jì)劃提供支持，目前這一項(xiàng)目仍在波蘭基礎(chǔ)技術(shù)研究所繼續(xù)開展。同時(shí)，該項(xiàng)目還獲得了波蘭科學(xué)院的2022-2024年歐盟MSCA共同基金PASIFIC計(jì)劃的支持。

△3Dfy的目標(biāo)是在波蘭基礎(chǔ)技術(shù)研究所進(jìn)行連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物的3D打印。

在最初的項(xiàng)目中，3Dfy提出了一種用于連續(xù)纖維增強(qiáng)的高性能熱塑性聚合物（如PEI、PES、PEEK、PEKK）的新型熔融長絲制造3D打印技術(shù)。其新穎之處在于將工業(yè)化的自動(dòng)纖維放置復(fù)合材料制造工藝中的預(yù)浸漬復(fù)合材料帶作為原料（而不是預(yù)浸漬的長絲）。

3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物主要針對(duì)輕質(zhì)和高熱力學(xué)性能（剛度、強(qiáng)度、斷裂韌性、耐溫、耐濕、耐輻射、耐化學(xué)制劑）的應(yīng)用場景，能夠在惡劣的負(fù)載和環(huán)境條件下運(yùn)行，用于航空航天、汽車、生物機(jī)械（例如，工具/刀具、功能原型、復(fù)雜的支架、外殼和鑲板、熱發(fā)動(dòng)機(jī)部件、復(fù)雜的管道主體和連接器、CubeSats、無人機(jī)/無人機(jī)主體、小型風(fēng)力渦輪機(jī)葉片、機(jī)器人部件、體育用品和假肢植入物等行業(yè)。

最終，PASIFIC博士后獎(jiǎng)學(xué)金計(jì)劃（波蘭科學(xué)院的獎(jiǎng)學(xué)金計(jì)劃）的首屆獲獎(jiǎng)?wù)逜di Adumitroaie博士將負(fù)責(zé)實(shí)施該項(xiàng)目——高性能聚合物復(fù)合材料的3D打印（3Dfy）。在第一屆PASIFIC博士后獎(jiǎng)學(xué)金項(xiàng)目中，共有來自60個(gè)國家的科學(xué)家提交了348份申請(qǐng)，來自15個(gè)國家的35名獲獎(jiǎng)?wù)弑贿x中在波蘭科學(xué)院進(jìn)行研究。他們的項(xiàng)目涵蓋了所有三個(gè)小組的17個(gè)學(xué)科--物理科學(xué)和工程（15項(xiàng)獎(jiǎng)學(xué)金）、生命科學(xué)（10項(xiàng)）以及社會(huì)科學(xué)和人文科學(xué)（10項(xiàng)）。

Adi Adumitroaie博士主持的這項(xiàng)3Dfy項(xiàng)目旨在為高性能復(fù)合材料及其應(yīng)用開發(fā)一種創(chuàng)新的3D打印加工方法，并證明其可行性。該項(xiàng)目考慮了幾個(gè)方面，如連續(xù)纖維加固（如碳、玻璃），其本身就為復(fù)合材料提供了卓越的機(jī)械性能（如剛度、強(qiáng)度）；以及高性能熱塑性基體（如PEEK、PEKK、PEI、PPS），其為3D打印的復(fù)合材料提供了卓越的熱機(jī)械性能（如熱、化學(xué)、輻射、環(huán)境、磨損、抗壓、斷裂韌性）。

與目前處理類似聚合物打印問題的最先進(jìn)技術(shù)相比，3Dfy項(xiàng)目的創(chuàng)新之處在于提出了一種能夠處理新原料類型的新型擠出頭，以及復(fù)合材料3D打印的新方法和技術(shù)。市場上可用的具有矩形截面的預(yù)浸漬復(fù)合材料帶被用作原料，而不是內(nèi)部專有的具有圓形截面的預(yù)浸漬長絲（如目前同一細(xì)分市場上的其他競爭者所做的）。

3Dfy項(xiàng)目的核心內(nèi)容涉及以下幾個(gè)方面：

(a) 用于復(fù)合3D打印機(jī)的多相（聚合物基體和增強(qiáng)纖維）原料；

(b) 原料的復(fù)合3D打印加工技術(shù)；

(c) 輸出的3D打印復(fù)合材料的性能。

因此，3Dfy項(xiàng)目涵蓋了多學(xué)科、多物理學(xué)和多尺度的內(nèi)容，包括材料科學(xué)和技術(shù)（增強(qiáng)纖維和聚合物基體成分、它們的兼容性、聚合物基體配方、根據(jù)加工方法需要的添加劑和改性劑）；原料材料開發(fā)；工藝技術(shù)；產(chǎn)品（復(fù)合3D打印擠出頭）開發(fā)；數(shù)字化制造、自動(dòng)化和控制；復(fù)合材料設(shè)計(jì)、分析和物理測試；虛擬建模和仿真；工藝和產(chǎn)品驗(yàn)證。此外，該項(xiàng)目建立在PI Adi Adumitroaie博士之前的RDI基礎(chǔ)上，旨在繼續(xù)最初的RDI，提高TRL并將技術(shù)推進(jìn)到市場。

如果你想了解更多關(guān)于該項(xiàng)目的信息，可以點(diǎn)擊這里：https://www.ippt.pan.pl/en/news/ ... -fellowship-program