我国首创高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印机

lydiazhang 2016-11-22 12:15:11

继上周推出的PEEK材料耐高温3D打印机之后，陕西恒通3D打印设备又添一员猛将---高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印机。此款设备是由机械制造系统工程国家重点实验室3D打印研究团队与陕西恒通研发团队共同研发，为全国首创。

碳纤维复合材料在航天、军工、电子等诸多领域都有着很广泛的应用，碳纤维复合材料是航空航天结构中最重要的组成部分，常用于飞机和航天器的内部骨架以及发动机等零件的固定支架等。

随着科技的不断进步，碳纤维复合材料制品业进入了平常人的生活中，小到羽毛球拍，大到汽车无处不见到碳纤维复合材料的身影。碳纤维复合材料的强度要高于铜，自身重量却小于铝，与玻璃纤维相比，碳纤维还有高强度、高模量的特点，是非常优秀的增强型材料。还可以作为新型的非金属材料进行应用，它的主要特点有：高强度、耐疲劳、抗蠕变、导电、电模量、抗高温、抗腐蚀、传热、比重小和热膨胀系数小等优异性能。但高昂的制造成本限制了复合材料的广泛应用。与现有主要的复材制造技术，如热压罐成型技术、传递模塑（RTM）成型技术、缠绕成型技术、自动铺放技术相比，本次推出的复合材料3D打印工艺，具有成本低、效率高、无需模具、材料可回收利用等优势，能实现复杂结构复合材料构件的快速制造，详见表1。

表格 1 复合材料3D打印工艺对比

高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术是以连续纤维增强热塑性高分子材料，实现高性能复合材料零件直接3D打印，采用连续纤维与热塑性高分子材料为原材料，利用同步复合浸渍-熔融沉积的3D打印工艺实现复合材料制备与成形的一体化制造。

图1连续纤维增强聚合物基复合材料3D打印原理[1]

经测试，所制备的Cf/PLA（Cf-27wt%）复合材料抗弯强度达到了350MPa左右，抗弯模量达到了30GPa，是传统PLA零件（48~53MPa）的7倍左右，如图2所示。经试验，采用复合材料3D打印工艺可以实现复杂结构复合材料构件的快速制造，图3为打印出的薄壁结构零件。

图2可通过改变工艺参数实现复合材料力学性能调控

图3碳纤维增强PLA复合材料薄壁样件，a)为薄壁圆筒结构，b)为尾翼结构

随着该技术的成熟和3D打印设备的上市，将大大降低碳纤维复合材料制件的生产成本并提高生产效率，必将推动热塑性复合材料更广泛的应用。我们将择日在微信公众号上发布设备的图片及具体技术参数，请大家持续关注。