连续纤维增强复合材料3D打印—年轻但不低调的技术 

由 靖哥3D打印 发布于 2021-01-07 10:38 

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编者按:本文来自微信公众号“靖哥3D打印”(ID:gh_d599e1b42ab3)作者:罗盟博士,3D打印资源库经授权发布。

3D打印领域不断的推出金属、陶瓷和聚合物等各种新材料,以满足应用端性能的诸多需求。然而,如同传统制造领域所经历的,很多应用需求并不是单化学组分的材料能够满足,也很难经济的、有效的通过单化学组分新材料开发的方式得以实现,而复合材料针对这一需求应运而生。

复合材料,是多组分材料的有机结合,能够综合表现其不同组分材料所共有的一些优势,是1+1>2的一种复合。复合材料工艺能够根据应用所需对材料性能进行设计,根据需求选择材料的组合。而3D打印的复合材料,在传统复合材料的优势之上,更是从叠加了基因中遗传的3D打印所专长的结构灵活性。本期介绍的是复合材料中的连续纤维复合材料,以3D打印为制造平台。

靖哥有幸邀请到了罗盟博士,为大家共同解读3D打印的连续纤维复合材料。

【作者简介】
罗盟 博士:2020年毕业于西安交通大学机械工程专业,获工学博士学位。博士研究生期间,参与多项国家重点研发计划,主要开展了以连续碳纤维增强聚醚醚酮(CCF/PEEK)复合材料为代表的典型高熔点树脂基复材3D打印工艺和装备研发。目前主要研究领域为:热塑性复材增材制造、多工艺融合快速成型等。

背景
2020年12月18日,中国工程院《全球工程前沿2020》报告在北京发布,9个领域的184项全球工程前沿技术揭开面纱,其在和增材制造直接相关的工程前沿包括两项。分别是化工、冶金与材料工程领域提出的“重大装备核心大构件低成本高品质增材制造”工程开发前沿以及机械与运载工程领域提出的“连续纤维增强复合材料增材制造”工程研究前沿。

2020年5月7日,中国央视新闻网以《我国成功完成首次太空“3D打印”》为题,报道了国际上的首次在轨舱内连续纤维复合材料3D打印,其中“我国自主研制的复合材料3D打印系统”字样令国人一时振奋。

而连续纤维复合材料增材制造(3D打印)技术,凭借着独特的科技魅力实现了在短短六七年时间里从诞生到多方瞩目的蜕变。本文将围绕该技术进行工艺原理、应用前景及面临的技术挑战进行一一介绍。

(一)工艺原理

目前连续纤维复合材料3D打印主要有两种类型。一种是以美国Markforged的Mark one设备为代表的热塑性树脂与预浸丝双线打印模式;另一种便是2014年西安交通大学田小永研究团队提出的热塑性树脂与连续纤维实时复合挤出的单线打印模式[1]。

双线模式:设备有两个相互独立的打印喷头,一个负责热塑性树脂的挤出,而另一个负责连续纤维预浸丝的挤出,从而实现外轮廓和内填充的并行以及精度和性能的兼顾。

单线模式:设备仅有一个打印喷头,热塑性树脂通过一定的丝材推力被送入高温熔融腔,与通过纤维导管进入的连续纤维干丝束或预浸丝束在熔融腔内进行实时复合,而后从唯一的打印喷头挤出并按照预设路径排布冷却成形,如图1所示。
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图1 连续纤维增强复合材料3D打印(单线模式)
(二)技术特点

a)相比短纤增强复合材料的绝对性能优势
如图2所示,通过文献分析[2-8],3D打印连续纤维增强复合材料的力学性能显著高于3D打印短纤增强复合材料的力学性能。虽然力学性能和纤维含量依然明显低于传统制造,但其针对复杂结构的成型灵活性却大大提升。因此可以认为,连续纤维增强复合材料3D打印技术是传统铺放和缠绕技术向复杂结构灵活一体化制造的技术革新,也是短纤增强复合材料3D打印向更高性能应用不断推进的必然结果。
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图2 不同纤维长度及制造工艺下的复合材料的综合性能
b)现阶段具有明显的定向应用特征
目前,连续纤维增强复合材料主要面向航空航天等国防领域,显著的民用机能尚未被激发。在航空领域,连续纤维复合材料优异的耐热、抗腐蚀及综合力学性能有助于提高复杂环境的适应性;在航天领域,高模量、连续输入的丝材形态对于真空环境下的舱外在轨制造同样至关重要。

c)针对不同材料体系的工艺技术呈现差异性
目前,该技术适用材料包括:
增强体:连续碳纤维(1K/3K)、连续凯夫拉纤维、连续玻璃纤维、连续玄武岩纤维、连续高分子聚乙烯纤维等。
基体:聚醚醚酮(PEEK)、尼龙、聚苯硫醚(PPS)、聚乳酸(PLA)等。

表1列举了部分材料体系在该技术下的差异化特点,而其差异性主要取决于树脂的温度特性、结晶特性以及纤维的耐温及模量特征等。其中,以PEEK为代表的超强工程塑料基体和连续碳纤维(CCF)的复合成形难度最大,但其优异的性能潜力也使其所受关注度及应用价值相对较高。
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表1  现有3D打印连续纤维复合材料体系的差异化工艺特征
(三)功能化研究

连续纤维增强复合材料3D打印能够最大程度地实现纤维作为增强体的增强潜质,而纤维路径及纤维含量等参数的“过程中可干预”特性进一步推动了该技术的多种功能化研究。

a)电磁屏蔽
为了应对日益复杂的电磁环境和应用需求,Lixian Yin等人利用连续纤维增强复合材料3D打印技术打印了连续碳纤维增强聚乳酸(CCF/PLA)复合材料,并研究了其不同纤维参数设计下的电磁屏蔽性能。如图3构建了电磁屏蔽效能(SE)与不同打印参数间的影响关系[10]。
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图3  电磁屏蔽效能与3D打印参数间的影响关系图
研究人员通过系统分析了不同纤维填充角度、纤维含量以及材料厚度下的电磁屏蔽效能,如图4所示。从而可以实现通过调整打印参数来提升或者调控电磁屏蔽效能。
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(a)纤维填充角度
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(b)纤维含量
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(c)材料厚度
图4 不同打印参数下的CCF/PLA复合材料屏蔽效能
b)4D打印
4D打印技术可通过在材料的3D打印过程中控制其物理性能的非均质分布,使其响应外界刺激而产生自动且可控的变形。
Qingrui Wang等人利用连续纤维增强复合材料3D打印,制备连续纤维嵌入的复合材料,并利用其两侧的热膨胀系数差异实现不同环境温度下的可控变形。研究人员通过工艺参数优化及纤维取向设计,实现了复合材料变形的影响规律探索[11]。

图5为不同纤维分布方式下,复合材料的温度响应规律,得出了纤维取向与曲面曲率的关系:当两列纤维在复合材料同一侧时,曲面的主曲率方向为两列纤维的锐角平分线方向,主曲率大小与sec2(θ/2)成正比(式中,θ为两列纤维夹角);当两列纤维在复合材料两侧时,曲面的主曲率方向与其中一列纤维方向垂直,曲面的主曲率大小与csc2θ成正比。在此基础上得到了纤维取向与曲面形状的关系,为可控变形设计提供了理论基础。
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图5 复合材料在不同温度下的形状变化

进而可实现复杂曲面的变形设计,如图6所示,为获得的圆锥面、椭圆柱面、渐开线螺旋面的纤维轨迹线和变形后的形状。
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图6(a)根据圆锥曲面求解的纤维轨迹线 (b)变形得到的圆锥曲面 (c)根据椭圆柱面求解的纤维轨迹线 (d)变形得到的椭圆柱面 (e)根据渐开线螺旋面求解的纤维轨迹线 (f)变形得到的渐开线螺旋面

c)梯度设计
利用纤维的参数可控进行梯度的一体化设计也是该技术的一大功能化的延伸。如图7,西安交大研究团队与俄罗斯科学院合作开展了带孔板的梯度化连续纤维复合材料制造,通过结合有限元分析和连续纤维复合材料3D打印实现了带孔板拉伸性能的显著优化[12]。
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图7有限元分析得到纤维轨迹分布点形成纤维打印路径
如图8所示,连续纤维增强复合材料也能够更有利地实现轻质结构的高强制造。
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图8异形连续纤维复合材料轻质夹层结构

(四)面临的挑战

a)纤维含量的提高
3D打印过程中需要足量的树脂充当粘结剂保证层间及线间的结合强度,因此,很难达到许多产品60%纤维含量的下限要求,从而限制了该技术下复合材料制件的进一步应用。

b)路径优化方法的欠缺
不同于传统结构拓扑优化,纤维的连续分布时既需要结构的优化也需要路径的配合,而目前针对连续纤维复合材料3D打印的路径依然空缺,从而导致该技术的普及化应用尚需时日。

c)各向异性的加剧
层层累加依然是3D打印技术的典型特征。随着纤维的连续分布,层内性能显著提高,而相较此显著的弱Z向性能就成为了制约该技术整体发展的一个核心挑战。

(五)结语

3D打印技术发展至今,已经形成了从材料到工艺、从软件到硬件、从平民消费到军工应用的完整生态圈,环环相扣,彼此依存。而连续纤维复合材料3D打印也不例外,一个工艺技术的革新,已然煽动了从材料匹配到行业应用的风浪,挑战依然存在,但前景也尚属光明,未来何往?或需我辈继续砥砺前行。

参考文献
[1] 田小永,杨春成等,西安交通大学,一种连续长纤维增强复合材料3D打印机及其打印方法[P],CN201410325650.3,中国。
[2] Li, Q., Zhao, W., Li, Y., et al.Flexural Properties and Fracture Behavior of CF/PEEK in Orthogonal BuildingOrientation by FDM: Microstructure and Mechanism[J]. Polymers (Basel). 2019, 11(4).
[3] Tian Xiaoyong, Liu Tengfei, Yang Chuncheng, et al. Interface andperformance of 3D printed continuous carbon fiber reinforced PLA composites[J].Composites Part A-Applied Science and Manufacturing, 2016, 88:198-205.
[4] Liu Tengfei, Tian Xiaoyong, Zhang Manyu, et al. Intefacial performanceand fracture patterns of 3D printed continuous carbon fiber with sizingreinforced PA6 composites[J]. Composites Part A-Applied Science andManufacturing, 2018, 114:368-376.
[5] Meng Luo, Xiaoyong Tian, Junfan Shang, Weijun Zhu, Dichen Li, &Yingjie Qin. (2019). Impregnation and interlayer bonding behaviours of3d-printed continuous carbon-fiber-reinforced poly-ether-ether-ketonecomposites[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 121,130-138.
[6] Fujihara, K., Huang, Z.-M., Ramakrishna,S., et al. Influence of processing conditions on bending property of continuouscarbon fiber reinforced PEEK composites[J]. Composites Science and Technology.2004, 64(16), 2525-2534.
[7] Xu, Z., Zhang, M., Gao, S., et al.Study on mechanical properties of unidirectional continuous carbonfiber-reinforced PEEK composites fabricated by the wrapped yarn method[J].Polymer Composites. 2017.
[8] Zhang, Y., Tao, W., Zhang, Y., et al.Continuous carbon fiber/crosslinkable poly(ether ether ketone) laminatedcomposites with outstanding mechanical properties,robustsolvent resistance and excellent thermal stability[J]. Composites Science andTechnology. 2018, 165, 148-153.
[9] ZhangHao Hou, Xiaoyong Tian, Junkang Zhang, et al. 3D printed continuousfibre reinforced composite corrugated structure[J]. Composite Structures,2018,184:1005-1010.
[10] Lixian Yin, Xiaoyong Tian, et al. Characterizations of continuous carbonfiber-reinforced composites for electromagnetic interference shieldingfabricated by 3D printing[J]. Applied Physics a-Materials Science &Processing, 2019, 125 (4): 11.
[11] Qingrui Wang,Xiaoyong Tian,Lan Huang, et al. Programmable morphing composites with embedded continuousfibers by 4D printing[J]. Materials & Design, 2018, 155:404-413.
[12] Malakhov A V , Polilov A N , Zhang J , et al. A Modeling Method ofContinuous Fiber Paths for Additive Manufacturing (3D Printing) of VariableStiffness Composite Structures[J]. Applied Composite Materials, 2020,27(3):185-208.

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