高性能連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印設(shè)備及工藝

來源：西安交通大學(xué)青島研究院

項目簡介
本項目以連續(xù)纖維增強熱塑性聚合物基高性能復(fù)合材料零件直接 3D 打印為目標，采用連續(xù)纖維與熱塑性聚合物為原材料，利用復(fù)合浸漬-熔融沉積的 3D打印工藝實現(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件的低成本一體化快速制造，與現(xiàn)有的復(fù)材制造技術(shù)，如熱壓罐成型技術(shù)、傳遞模型（RTM）成型技術(shù)、纏繞成型技術(shù)、自動鋪放技術(shù)相比，復(fù)合材料 3D 打印工藝的主要優(yōu)勢在于成本低、周期短，能實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)符合材料構(gòu)件的快速制造。

技術(shù)指標
1. 桌面型連續(xù)纖維增強復(fù)合材料 3D 打印機
團隊自主研發(fā)了桌面型連續(xù)纖維增強復(fù)合材料 3D 打印機，所制備的 Cf/PLA復(fù)合材料抗彎強度達到了 390MPa，是傳統(tǒng) PLA 零件（48-53MPa）的 7 倍，性能與鋁合金相當，重量減少五分之二。

2. 大尺寸高速高穩(wěn)定性連續(xù)纖維復(fù)合材料 3D 打印機
團隊自主研發(fā)了高速打印噴頭系統(tǒng)，采用雙噴頭打印模式，一個噴頭用于纖維干絲的復(fù)合打印，另一個噴頭用于支撐等輔助材料的打印，同時具有連續(xù)纖維的在線剪斷-續(xù)打處理功能，可實現(xiàn)高性能復(fù)合材復(fù)雜構(gòu)件的一體化快速制造，滿足工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ诖蟪叽鐦?gòu)件的應(yīng)用需求，適用于航空航天、汽車交通等領(lǐng)域。

3. 復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)一體化制造技術(shù)
連續(xù)纖維增強復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于航空航天、高速列車和船舶等領(lǐng)域，然而傳統(tǒng)制造工藝方法對其一體化成型，成型周期長、成本高，限制了復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。團隊提出了基于連續(xù)纖維增強復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的一體化制造工藝，所制備的連續(xù)芳綸纖維增強 PLA 復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，再纖維含量達到 11％時，抗壓性能達到 17MPa，優(yōu)于傳統(tǒng)制造方式的波紋輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。

4. 高效電磁屏蔽復(fù)合材料可控制造技術(shù)
隨著電磁污染日益加重，高性能電磁屏蔽復(fù)合材料越來越受到關(guān)注，利用連續(xù)纖維增強復(fù)合材料 3D 打印工藝可實現(xiàn)電磁屏蔽材料的可控制造，所制備材料的電磁屏蔽效能、彎曲強度、拉伸強度分別達到 75.6dB、105MPa和 125MPa，且屏蔽效能在 8-75.6dB 內(nèi)可調(diào)，其良好的電磁屏蔽性能、機械性能、加工性能以及較低的加工成本使其在航空系統(tǒng)和衛(wèi)星天線領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

5. 短切碳纖維增強復(fù)合材料構(gòu)件選區(qū)激光燒結(jié)成形
選區(qū)激光燒結(jié)以 CO2激光器作為熱源，以增強纖維與聚合物的復(fù)合粉末作為原材料來完成纖維增強工程塑料復(fù)合材料的 3D 打印。目前，采用選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)，可完成碳纖維增強尼龍復(fù)合材料以及碳纖維增強聚醚醚酮復(fù)合材料的制備，與純樹脂的制件相比，復(fù)合材料具有更高的機械強度、耐熱溫度、制件精度等。適合于航空航天、汽車和消費品等行業(yè)需要優(yōu)化形狀、重量的部件及受力結(jié)構(gòu)件的終端制造，中小批量的快速制造，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)功能零件的制造尤為適合。

市場前景及應(yīng)用
該技術(shù)屬于國內(nèi)首創(chuàng)，獲得多項自主知識產(chǎn)權(quán)，受到國內(nèi)外越來越多機構(gòu)的關(guān)注，在國內(nèi)，本項目得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、載人航天等項目的支持，開展關(guān)于工藝機理與裝備等方面的研究，探索該工藝在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景，在國外，分別與德國、俄羅斯等研究單位合作對該工藝的材料以及結(jié)構(gòu)設(shè)計開展研究，研究水平國內(nèi)外領(lǐng)先。

在當今全球 3D 打印領(lǐng)域快速發(fā)展的形勢下，復(fù)合材料 3D 打印具有巨大的發(fā)展前景，據(jù) SmarTech 預(yù)測，至 2026 年全球用于 3D 打印的復(fù)合材料收入將超過5 億美元，未來十年內(nèi)復(fù)合材料將成為 3D 打印最主要的市場機遇，目前該項技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出了成熟的工業(yè)設(shè)備，形成了成熟的裝備-材料-工藝體系，具備了商業(yè)化應(yīng)用的條件，已經(jīng)初步在復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面得到應(yīng)用，隨著該技術(shù)的成熟，將來必將在航空航天、汽車交通甚至民用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

項目專家
【田小永】（機械學(xué)院）

【研究領(lǐng)域】
1）功能、結(jié)構(gòu)一體化創(chuàng)新設(shè)計與3D打印，如超材料新型微波器件、結(jié)構(gòu)電子等；

2）多材料、復(fù)合材料3D打印（增材制造）技術(shù)及其應(yīng)用研究。