高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印及其应用探索.pdf

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1、高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印及其应用探索米田小永，刘腾飞，杨春成，李涤尘(西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安710054)【摘要】纤维增强树脂基复合材料具有优异的力学性能，能够实现轻质、高性能结构的制造，但传统的成型工艺过程复杂、成本高，难以实现纤维回收利用，限制了纤维增强树脂基复合材料的广泛应用。3D打印技术是一种新兴的零件成形工艺，将3D打印技术应用于纤维增强树脂基复合材料的制造，为实现复合材料低成本、绿色制造提供了可能性。综述了纤维增强树脂基复合材料3D打印技术研究的发展现状，提出

2、了一种高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印工艺及其回收再制造策略。关键词：3D打印；热塑性复合材料；纤维增强；回收再制造DoI：10．16080／j．issnl671-833x．2016．15．026田小永博士。副教授。中国机械工程学会高级会员。ISO增材制造标委会(TC261)委员。ProgressinAdditiveManu，acturing编委。主持国家863课题1项、国家自然科学基金2项、省部级项目3项。发表论文40余篇，SCI收录20余篇。+基金项目：国家自然科学基金项目(51575430)；机

3、器人技术与系统国家重点实验室开放研究项目(SKLRS一2015一ZD一02)。26航空制造技术·2016年第15期飞机结构的轻质化、高性能化对于降低飞机的飞行成本，提高飞机的飞行性能有着至关重要的作用，是飞机发展一直追求的目标。纤维增强树脂基复合材料具有高强度、高模量、比重小、热稳定好、可设计性强等优点n1，应用在飞机结构上能带来明显的减重效果和综合性能的显著提高，在航空飞机结构上的应用越来越广泛，已成功应用在飞机的水平安定AntellC}、K50％窆40％嚣型30％20％面、尾翼、机翼、机身等飞机结构上，大

4、大提高了飞机的结构效率与综合性能口】。其中，军用飞机中纤维增强树脂基复合材料用量已占飞机结构重量的20％一50％，如美国F一22战斗机上用量达到25％左右；民用飞机中，美国波音787纤维增强树脂基复合材料用量达到50％，欧洲空客公司的A350XWB用量已达到52％[2--4]，如图1所示。197019801990200020l()年代图1空客公司复合材料应用水平Fig．1ApplicationlevelsofcompositesintheproductsofAirbus传统的纤维增强树脂基复合材料的成型工艺主

5、要分为两个过程完成，首先要制备纤维预浸料，制备方法主要有浸渍法、沉积法、混编法等；然后将预浸料经过加工制成成型制件，加工方法有模压成型、拉挤成型、缠绕成型、铺放成型等”’5】。传统的成型工艺过程较复杂，加工成本较高，且无法实现复杂结构件的快速制造，大大限制了纤维增强树脂基复合材料的应用范围f6l。同时，传统的纤维增强树脂基复合材料结构件对于纤维的回收大多采用物理粉碎、高温热解以及化学分解的方式进行，往往对环境造成污染，成本高且很难实现纤维与基体材料的高效再利用【7J。因此，开发面向高性能复合材料零件的低成本高

6、效成型制造与回收再利用工艺，成为推动复合材料广泛应用的关键。3D打印技术是一种新兴的增材制造技术，区别于传统的减材或等材加工制造方法，它采用层层累加的原理，每层按照特定的打印路径铺放材料最终累加成形三维零件【8l。目前，将3D打印技术应用于纤维增强树脂基复合材料成为了一种新兴的复合材料制造工艺。相比于传统的成型工艺，3D打印工艺过程简单，加工成本低，材料利用率高，降低了复合材料构件的制造成本，同时可实现复杂结构零件的一体化成形，无需模具与复合材料连接工艺，为轻质复合材料结构的低成本快速制造提供了一个有效技术途

7、径。本文对现有复合材料3D打印工艺及其应用现状进行综述分析，并首次提出了一种连续纤维增强的热塑性复合材料3D打印新工艺，可实现高性能复合材料构件的快速制造，通过对打印路径调控，可精确控制每一层的纤维取向，获得复合材料构件的最大整体力学性能；利用连续纤维堆积成形的工艺特征，提出了连续纤维增强复合材料构件的回收再制造策略，为实现热塑性复合材料的高效回收利用提供了一个新方法。纤维增强树脂基复合材料31)打印工艺现状3D打印工艺包含多种工艺方法，按照制造复合材料所采用基体材料的基本特征，可分为纤维增强热固性树脂复合材

8、料3D打印、纤维增强热塑性树脂复合材料3D打印两类工艺。1纤维增强热固性树脂复合材料3D打印目前，纤维增强热固性树脂复合材料3D打印主要包括分层实体制造(LOM)工艺、立体光固化(sL)工艺以及三维打印(3DP)工艺等。1．1纤维增强热固性树脂复合材料LOM-Z．艺利用LOM技术进行纤维增强复合材料制造，需预先将纤维／树脂预浸丝束并排制成预浸带，预浸条带经传送带送至工作台，激光沿三维模型每个横截面的