國內研發(fā)連續(xù)纖維增強熱塑性樹脂3D打印技術
2017-02-10 來源：中國聚合物網
在波音公司宣布將600多件3D打印部件用于波音的Starliner太空出租車之時，我們不由得感嘆于塑料代替輕質金屬合金將成為交通工具領域的一大趨勢。而最近在國內，南京航空航天大學在連續(xù)纖維增強熱塑性樹脂打印技術取得了創(chuàng)新突破。
熔融沉積成型(FDM)技術憑借其較低的成本和較優(yōu)異的可實現性，近年來取得了很大的市場占有率。但該工藝使用可加熱融化的熱塑性樹脂耗材為成型材料，材料本身不具有連續(xù)性，層內分子團間距較大，且逐層鋪疊的工藝特點也造成了較差的層間結合力，這些特點都導致零件脆性大，沖擊強度低，易變形，承載性能差。
國際和國內通常在零件的設計過程中采用結構拓撲優(yōu)化的方式來優(yōu)化力學性能，亦或是在熱塑性基材中加入顆粒，短切纖維等增強體，終究不能根本上提高熔融沉積工藝所成型構件的力學性能。特別是針對航空航天領域內的復雜構件，輕量化和高強度的要求日益嚴苛，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，但其制品力學性能較差也是限制其在行業(yè)內發(fā)展的主要原因。
市場上的連續(xù)纖維增強樹脂基復合材料的3D打印方法存在以下主要問題：
各類纖維在出廠時，其表面活性基團均只適應于與熱固性樹脂的浸潤過程。在使用簡單的措施將未處理的纖維與熔融熱塑性樹脂共混時，難以使纖維與樹脂充分浸潤，這導致構件的纖維-樹脂界面較差。
大絲束纖維呈展平帶狀，現有3D打印方法難以使用大絲束纖維，且小絲束纖維在成型過程中成型速度慢，成型后的表面質量、纖維樹脂體積分數、纖維樹脂分布情況、層間結合力等性能指標難以控制。
現有的方法在打印過程中，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，對成型過程造成影響，同時，成型軌跡中纖維呈松散、無規(guī)律的分布狀態(tài)，使得構件的承載性能受到影響。
南京航空航天大學發(fā)明了連續(xù)纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的3D打印方法。適用于尺寸較大的纖維絲束，該打印技術成型速度快，表面質量提高，同時纖維與熱塑性基體間的界面結合性能好，構件纖維含量高，纖維密實度高，并且提高了打印構件的力學。還研發(fā)出連續(xù)纖維增強熱塑性樹脂基復合材料旋轉共混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，且旋轉方向與熔融腔相反;熔融腔與擠出頭內側均有攪拌齒環(huán)，纖維束和熔融熱塑性樹脂受到兩級反向旋轉的螺旋齒環(huán)攪拌作用下均勻共混，且共混體以螺旋狀密實纏緊成圓柱絲束，樹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樹脂基復合材料。
采用兩級旋轉腔體對纖維和樹脂的共混體進行攪拌和纏繞，適用于較大尺寸的纖維絲束，優(yōu)化了打印頭對纖維原有狀態(tài)的適應性，在相同的打印速度下，提高了打印效率，改善了構件的表面質量;攪拌共混的作用下，纖維與樹脂間的浸潤充分，共混體中的纖維呈緊密螺旋纏繞狀，提高了增強體的承載能力，樹脂在纖維中各處分布均勻，改善了構件的層間和界面結合性能，提高了打印構件的力學性能;擠出頭的旋轉作用可使共混體在擠出后，纖維與樹脂的分布均勻，纖維體積含量高。
實現了較高力學性能連續(xù)纖維增強熱塑性基體復合材料構件的3D打印，且成型效率高，表面質量好，可適用于對性能要求較高的航空航天復雜構件的成型過程。
熔融沉積成型(FDM)技術憑借其較低的成本和較優(yōu)異的可實現性，近年來取得了很大的市場占有率。但該工藝使用可加熱融化的熱塑性樹脂耗材為成型材料，材料本身不具有連續(xù)性，層內分子團間距較大，且逐層鋪疊的工藝特點也造成了較差的層間結合力，這些特點都導致零件脆性大，沖擊強度低，易變形，承載性能差。
國際和國內通常在零件的設計過程中采用結構拓撲優(yōu)化的方式來優(yōu)化力學性能，亦或是在熱塑性基材中加入顆粒，短切纖維等增強體，終究不能根本上提高熔融沉積工藝所成型構件的力學性能。特別是針對航空航天領域內的復雜構件，輕量化和高強度的要求日益嚴苛，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，但其制品力學性能較差也是限制其在行業(yè)內發(fā)展的主要原因。
市場上的連續(xù)纖維增強樹脂基復合材料的3D打印方法存在以下主要問題：
各類纖維在出廠時，其表面活性基團均只適應于與熱固性樹脂的浸潤過程。在使用簡單的措施將未處理的纖維與熔融熱塑性樹脂共混時，難以使纖維與樹脂充分浸潤，這導致構件的纖維-樹脂界面較差。
大絲束纖維呈展平帶狀，現有3D打印方法難以使用大絲束纖維，且小絲束纖維在成型過程中成型速度慢，成型后的表面質量、纖維樹脂體積分數、纖維樹脂分布情況、層間結合力等性能指標難以控制。
現有的方法在打印過程中，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，對成型過程造成影響，同時，成型軌跡中纖維呈松散、無規(guī)律的分布狀態(tài)，使得構件的承載性能受到影響。
南京航空航天大學發(fā)明了連續(xù)纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的3D打印方法。適用于尺寸較大的纖維絲束，該打印技術成型速度快，表面質量提高，同時纖維與熱塑性基體間的界面結合性能好，構件纖維含量高，纖維密實度高，并且提高了打印構件的力學。還研發(fā)出連續(xù)纖維增強熱塑性樹脂基復合材料旋轉共混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，且旋轉方向與熔融腔相反;熔融腔與擠出頭內側均有攪拌齒環(huán)，纖維束和熔融熱塑性樹脂受到兩級反向旋轉的螺旋齒環(huán)攪拌作用下均勻共混，且共混體以螺旋狀密實纏緊成圓柱絲束，樹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樹脂基復合材料。
采用兩級旋轉腔體對纖維和樹脂的共混體進行攪拌和纏繞，適用于較大尺寸的纖維絲束，優(yōu)化了打印頭對纖維原有狀態(tài)的適應性，在相同的打印速度下，提高了打印效率，改善了構件的表面質量;攪拌共混的作用下，纖維與樹脂間的浸潤充分，共混體中的纖維呈緊密螺旋纏繞狀，提高了增強體的承載能力，樹脂在纖維中各處分布均勻，改善了構件的層間和界面結合性能，提高了打印構件的力學性能;擠出頭的旋轉作用可使共混體在擠出后，纖維與樹脂的分布均勻，纖維體積含量高。
實現了較高力學性能連續(xù)纖維增強熱塑性基體復合材料構件的3D打印，且成型效率高，表面質量好，可適用于對性能要求較高的航空航天復雜構件的成型過程。
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