革新制造：3D打印技術(shù)在復(fù)合材料領(lǐng)域的現(xiàn)狀與突破

來源：中國復(fù)材

3D打印技術(shù)是制造業(yè)的一項(xiàng)革命性進(jìn)步，尤其是在復(fù)合材料的應(yīng)用方面。這項(xiàng)技術(shù)通過逐層堆疊的方式能夠精確打印復(fù)雜形狀的零件，其主要技術(shù)包括立體光固化成型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）和熔融沉積成型（FDM）。研究重點(diǎn)討論了連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTPC）在3D打印中的應(yīng)用，揭示了不同打印技術(shù)如在線浸漬法和離線浸漬法在改善制品力學(xué)性能方面的效果。同時(shí)，新興技術(shù)如微波加熱打印和超聲波輔助3D打印對(duì)于提高打印速度和制品質(zhì)量有顯著影響。最后，文檔展望了復(fù)合材料3D打印的未來發(fā)展趨勢(shì)，指出其在制造業(yè)中的潛在應(yīng)用和挑戰(zhàn)。

3D打印技術(shù)是一種增材制造成型方法，能夠快速加工制造形狀復(fù)雜的精密部件，無需模具即可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化生產(chǎn)]。與傳統(tǒng)減材制造不同的是，3D打印技術(shù)是將三維模型進(jìn)行切片處理后，按照預(yù)設(shè)路徑逐層堆疊，最終制備出所需制品，該成型技術(shù)能有效縮短零部件的生產(chǎn)周期，提高材料的利用率，降低制造成本，突破了傳統(tǒng)成型方式制備一體式復(fù)雜零件的技術(shù)障礙，特別是針對(duì)小批量復(fù)雜零件的制造和零件市場(chǎng)化前的設(shè)計(jì)優(yōu)化，3D打印技術(shù)具有極大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

現(xiàn)階段3D打印技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟，種類眾多，常見的3D打印技術(shù)主要有立體光固化成型技術(shù)（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）和熔融沉積成型，即FusedDepositionModeling（FDM）。其中，F(xiàn)DM3D打印成型技術(shù)因?yàn)樵O(shè)備和打印原料成本低、簡(jiǎn)單的制備程序以及能適用于多種材質(zhì)的原料打印，是現(xiàn)階段市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的3D打印技術(shù)之一，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

聚合物3D打印工藝正在向低打印成本、低能耗、大尺寸、高打印速率方向發(fā)展，使3D打印逐步邁向批量生產(chǎn)，與傳統(tǒng)塑料生產(chǎn)工藝展開競(jìng)爭(zhēng)。目前，粉末床工藝已初步應(yīng)用于塑料零件批量生產(chǎn)，并不斷推出更高效的SLS系統(tǒng)和低成本小型化燒結(jié)系統(tǒng)以提升打印效率和降低設(shè)備成本。DLP，CLIP等快速光聚合技術(shù)的應(yīng)用使光聚合3D打印逐步面向最終零件小批量生產(chǎn)，在此基礎(chǔ)上的低能耗、高零件性能的光聚合工藝是研究重點(diǎn)。應(yīng)用于高性能工程材料的材料擠出3D打印工藝走向成熟，高速、大型材料擠出3D打印設(shè)備得到應(yīng)用發(fā)展。

技術(shù)現(xiàn)狀

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印技術(shù)
纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料能一定程度提高打印制品的力學(xué)性能，但由于短纖的比表面積很大，而纖維與樹脂基體的相容性較差，導(dǎo)致兩者之間容易產(chǎn)生更多的空隙，從而制約復(fù)合材料3D打印制品性能的提升。為進(jìn)一步提升3D打印制品的力學(xué)性能，學(xué)者們以連續(xù)纖維替代短纖維，重點(diǎn)研究了3D打印CFRTPC復(fù)合材料。Isobe等以聚乳酸為基體，分別以多壁碳納米管、短碳纖維和連續(xù)碳纖維為增強(qiáng)體制備3D打印復(fù)合材料絲材，探究三者的機(jī)械性能。結(jié)果顯示，連續(xù)碳纖增強(qiáng)復(fù)合材料、短纖增強(qiáng)復(fù)合材料以及顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別達(dá)到了341MPa和10GPa、47MPa和2GPa、53MPa和3GPa，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能更為優(yōu)越。

現(xiàn)段連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTPC）的FDM3D打印方法主要分為離線浸漬法和在線浸漬法。在線浸漬法是指在CFRTPC的3D打印過程中，樹脂基體長(zhǎng)絲和連續(xù)纖維束分別從打印機(jī)相應(yīng)送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)入到加熱塊內(nèi)部，樹脂基體受熱熔融，并在加熱塊至噴嘴的熱流道中對(duì)連續(xù)纖維束進(jìn)行在線浸漬，如圖所示。離線浸漬法是指提前通過熔融浸漬工藝制備出適用于3D打印機(jī)的CFRTPC預(yù)浸絲，預(yù)浸絲成型過程中，張緊的連續(xù)纖維束在浸漬模具內(nèi)受到熔融樹脂的高壓，實(shí)現(xiàn)樹脂對(duì)連續(xù)纖維束的充分浸漬，最終將冷卻定型的的預(yù)浸絲送入打印機(jī)完成3D打印過程。

圖1FDM3D打印方法

單噴頭3D打印技術(shù)
將微型擠出機(jī)安裝在FDM3D打印設(shè)備上，如圖所示，擠出的塑料熔體注入到浸漬模具中，在高壓的作用下浸透模具中張緊的連續(xù)碳纖維束，最后經(jīng)口模牽出直接送入打印噴嘴完成CFRTPC的3D打印，并對(duì)比了不同纖維含量的CCF/PA12復(fù)合材料3D打印制品孔隙率和機(jī)械性能的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，碳纖規(guī)格為3K的CCF/PA12復(fù)合材料的3D打印制品孔隙率僅為2.62%，其抗拉強(qiáng)度、彈性模量、抗彎強(qiáng)度和彎曲模量分別達(dá)到了735MPa、79GPa、772MPa和85.3GPa。

為提高連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印的生產(chǎn)效率，解決傳統(tǒng)3D打印CFRTPC速度慢的問題，提出了一種3D微波加熱打印方法，使用微波瞬時(shí)加熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)打印機(jī)的電阻加熱，樹脂在噴嘴中瞬間熔融，進(jìn)而顯著提高連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的打印速度，將打印速度為20mm/s的微波加熱打印制品的力學(xué)性能與打印速度為5mm/s的傳統(tǒng)加熱打印制品進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，20mm/s的微波加熱高速打印下，制品的平均拉伸強(qiáng)度為358MPa，而傳統(tǒng)加熱方式打印件的拉伸強(qiáng)度只有303MPa，微波3D打印在提高CFRTPC復(fù)合材料的3D打印速度的同時(shí)，對(duì)復(fù)合材料制品的力學(xué)性能也有一定的改善。

通過改良了噴嘴結(jié)構(gòu)，在噴嘴側(cè)面引入壓力孔，如圖所示，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)噴嘴內(nèi)熔體的粘度、壓力和溫度，保證3D打印的穩(wěn)定性。通過有限元分析研究了不同的噴嘴結(jié)構(gòu)，研究了不同條件下對(duì)打印制品質(zhì)量的影響規(guī)律，對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物材料打印的尺寸可控性。研究了噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料3D打印制品性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，噴嘴邊緣寬度的增大對(duì)制品表面質(zhì)量和力學(xué)性能有促進(jìn)作用。

圖2單噴頭3D打印技術(shù)

多噴頭3D打印技術(shù)的研究進(jìn)展

多噴頭3D打印機(jī)的出現(xiàn)較好地解決了單噴頭打印機(jī)打印時(shí)出現(xiàn)的問題，擴(kuò)大了3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍。兩種多噴嘴FDM3D打印設(shè)備，多材料單混合噴嘴和多材料多噴嘴，如圖所示，使用傳統(tǒng)打印材料，如ABS、HIPS和PLA等，制備出不同材料層的拉伸測(cè)試樣條，通過測(cè)試結(jié)果比較兩種多噴嘴3D打印設(shè)備在打印不同材料時(shí)的優(yōu)劣性，結(jié)果顯示，單混合噴嘴在打印高性能材料時(shí)表現(xiàn)出更高的一致性。

圖3多噴頭3D打印技術(shù)

企業(yè)使用雙噴頭3D打印機(jī)，兩噴嘴可獨(dú)立工作，一個(gè)噴頭用來打印PA樹脂，另一個(gè)噴嘴用來打印連續(xù)纖維增強(qiáng)尼龍預(yù)浸絲，制備纖維層為夾芯層，尼龍層為表面層的夾層結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析不同打印材料對(duì)打印試樣機(jī)械性能的影響。結(jié)果表明，與純PA樣條相比，CFRTPC樣條呈現(xiàn)出更好的機(jī)械性能。]通過改進(jìn)傳統(tǒng)的FDM3D打印設(shè)備，添加了雙噴頭打印系統(tǒng)和冷卻平臺(tái)，完成了對(duì)打印機(jī)設(shè)備硬件和軟件的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)打印過程中對(duì)水凝膠溫度和流量的精準(zhǔn)控制，避免出現(xiàn)速度變化或者方向轉(zhuǎn)變時(shí)打印原料的溢出，保證打印制品的成型質(zhì)量。設(shè)計(jì)了一套多噴嘴3D打印機(jī)，打印設(shè)備由五個(gè)噴嘴組成，如圖所示，使3D打印時(shí)能同時(shí)使用五種不同顏色或不同種類的原料，不需停機(jī)更換原料便可實(shí)現(xiàn)多色或多材料種類的3D打印制品的制備，打印頭部分由兩部伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可進(jìn)一步提高打印設(shè)備的打印速度。

圖4噴頭3D打印設(shè)備

超聲波3D打印技術(shù)進(jìn)展
2015年，德國Indmatec公司推出了HPP 155型PEEK 3D打印機(jī)，是第一臺(tái)用于高溫聚合物的FDM3D打印機(jī)，配備了高達(dá)420℃的全金屬熱端，能加工PEEK等高熔點(diǎn)和高黏度的聚合物。

麻省理工學(xué)院也研發(fā)出一種激光輔助的FDM 3D打印機(jī)，以激光輔助加熱和帶螺桿機(jī)構(gòu)的打印頭可更好地調(diào)節(jié)溫度、提高流速，打印速率較普通FDM打印機(jī)快10倍。當(dāng)前，3D打印工藝非常重要的一個(gè)研究?jī)?nèi)容和發(fā)展方向是復(fù)合材料的3D打印，致力于實(shí)現(xiàn)多品種、高性能熱塑性復(fù)合材料的3D打印并獲得最佳打印效果。

俄羅斯Anisoprint公司開發(fā)了國際領(lǐng)先的連續(xù)纖維3D打印技術(shù)——雙噴嘴復(fù)合纖維共擠（CFC）技術(shù)，推出了生產(chǎn)規(guī)模的CFC系統(tǒng)AnisoprintProMIS 500。該技術(shù)使用一個(gè)噴嘴進(jìn)行FFF成型，另一個(gè)噴嘴進(jìn)行碳或玄武巖絲料共擠出。CFC增強(qiáng)復(fù)合材料具有較高的纖維體積比、低孔隙率、良好黏合性及出色的力學(xué)性能。

美國Desktop Metal公司提出一項(xiàng)微自動(dòng)光纖替換（微型AFP）技術(shù)，開發(fā)了Fiber HT型和FiberLT型3D打印機(jī)。Fiber LT型3D打印機(jī)可以打印與碳纖維（CF）或玻璃纖維結(jié)合的PA6，而其HT型號(hào)可以打印與CF或玻璃纖維結(jié)合的PEEK或聚醚酮酮（PEKK）。該技術(shù)可以控制纖維方向，實(shí)現(xiàn)小于1%的孔隙率，高達(dá)60%的纖維體積比率。

最新的研究開發(fā)了一種超聲輔助3D打印CFRTPC的3D打印裝置，如圖所示，連續(xù)纖維束通過裝有熱塑性樹脂熔體的容器，在張力輥的作用下保持張緊，樹脂在超聲波的作用下，促進(jìn)對(duì)連續(xù)纖維束的浸透作用，最后，被浸漬完成的連續(xù)纖維束通過口模成型并通過3D打印制備出CFRTPC復(fù)合材料制品。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與沒有經(jīng)過超聲處理的打印制品相比，經(jīng)過超聲處理之后的復(fù)合材料3D打印制品的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度分別提高了34%和29%。

圖5超聲波輔助3D打印CFRTPC

未來趨勢(shì)

隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大和各行業(yè)對(duì)制品性能要求的提高，單一材料的3D打印制品已無法滿足當(dāng)前市場(chǎng)需求，復(fù)合材料的FDM3D打印成型將成為3D打印的發(fā)展趨勢(shì)。如今使用短玻纖或短碳纖增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料為原料的3D打印技術(shù)已經(jīng)比較成熟，短纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印制品的力學(xué)性能相對(duì)單一樹脂材料打印制品實(shí)現(xiàn)了較大的提升，但是力學(xué)性能的提升空間有限近年來，強(qiáng)度更高的CFRTPC的3D打印成型技術(shù)成為眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。但是，3D打印CFRTPC因?yàn)槠浔砻尜|(zhì)量較差、界面結(jié)合強(qiáng)度較低、孔隙率較高等問題，制約了CFRTPC復(fù)合材料的機(jī)械性能的提升，限制了CFRTPC3D打印制品的工藝應(yīng)用和發(fā)展。進(jìn)一步改善FDM3D打印制品的界面結(jié)合效果以提高其機(jī)械性能，改善打印制品表面效果以提高其成型質(zhì)量，成為了CFRTPC3D打印技術(shù)亟待解決的關(guān)鍵性問題。本文建議嘗試采用雙噴頭3D打印技術(shù)，以短纖增強(qiáng)PA6復(fù)合材料和自制CGF/PA6預(yù)浸絲分別作為上下表層和芯層的打印原料，制備出一種表面質(zhì)量?jī)?yōu)異、高性能的“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料3D打印制品，同時(shí)引入超聲波振動(dòng)裝置，基于超聲波的振動(dòng)作用和熱學(xué)效應(yīng)，研究超聲頻率對(duì)熔融沉積界面聚合物分子鏈的作用機(jī)理，改善復(fù)合材料的表面質(zhì)量和層間結(jié)合強(qiáng)度。相關(guān)應(yīng)用研究對(duì)促進(jìn)CFRTPC復(fù)合材料3D打印技術(shù)的發(fā)展具有重要的理論指導(dǎo)意義，可拓展3D打印CFRTPC復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)復(fù)材領(lǐng)域的應(yīng)用。

總結(jié)
本文深入探討了3D打印技術(shù)及其在復(fù)合材料方面的應(yīng)用。3D打印技術(shù)以其高效率和準(zhǔn)確度，能夠制造形狀復(fù)雜的精密部件，已成為制造業(yè)的一項(xiàng)重要技術(shù)。其中，立體光固化成型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）和熔融沉積成型（FDM）是最常見的3D打印技術(shù)。重點(diǎn)介紹了連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTPC）的3D打印方法，包括在線浸漬法和離線浸漬法，以及這些技術(shù)在提高制品力學(xué)性能方面的貢獻(xiàn)。新興技術(shù)，如微波加熱打印和超聲波輔助3D打印，被證明能有效提高打印速度和制品質(zhì)量。還討論了噴頭技術(shù)的改進(jìn)對(duì)提高制品精度和質(zhì)量的影響。在未來趨勢(shì)部分，預(yù)測(cè)面，特別強(qiáng)調(diào)了提高界面結(jié)合強(qiáng)度和表面質(zhì)量的重要性。最終指出，未來的研究將集中在材料的多樣性、生產(chǎn)效率和環(huán)境可持續(xù)性上�？偟膩碚f，3D打印在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用展現(xiàn)了巨大的潛力和挑戰(zhàn)，預(yù)示著制造業(yè)未來的發(fā)展方向。

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