碳纤维复合材料3D打印成型工艺分析

  3D打印技术是一种通过数字化控制系统,采用逐层打印的方式来构造三维材料实体的增材制造技术,具有自动化、智能化、精确化以及高效化的特点。近年来,随着3D打印技术的蓬勃发展,利用3D打印技术制备碳纤维增强热塑性复合材料已经成为学术界研究的热点,其中选择性激光烧结(SLS)和熔融沉积成型(FDM)是目前应用最为广泛的技术。

  SLS是利用激光在提前规划好的路径上烧结粉末材料,逐层累积制备三维结构件。其较常应用于短切碳纤维复合材料的制备。华中科技大学的研究团队将表面改性过的碳纤维与聚酰亚胺树脂混合,利用化学沉积法制备复合材料粉末,最后采用SLS技术制备出碳纤维体积分数达50%以上的复合材料。研究人员使用SLS技术制备了CF增强尼龙复合材料,研究发现使用SLS技术制备的复合材料孔隙率较高,而复合材料的强度与辐照角度有关。

  FDM是先利用打印头加热熔融树脂丝,再按照设计路径堆砌单层结构,通过逐层累加后形成三维结构部件,多用于制备连续碳纤维增强复合材料,但也可用于短切碳纤维复合材料。H.L.Tekinalp等采用FDM技术制备了短切碳纤维增强丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料复合材料,得到的结构件中的短切碳纤维同向性很高,相比于传统热压成型有很大的提升。

  随着3D打印的发展以及碳纤维材料的普及,除SLS和FDM技术外,国内外许多科研团队及高科技公司都提出了多种新颖的3D打印技术。美国Markforged公司在2014年推出了全球首款可打印复合材料的桌面3D打印机MarkOne,该设备拥有两个打印头,分别使用尼龙树脂和碳纤维,联合打印制备出的复合材料强度可超过铝制品65-64。美国Arevo Labs公司在2015年推出了机械臂3D打印平台RAM,其可用来打印高性能的碳纤维增强热塑性复合材料零部件,其构建的体积范围为1000 8000 mm3'06)。 美国Impossible Objects公司将选择性沉积层压(SDL)技术与喷墨3D打印技术相结合推出了CBAM技术,其过程是先将熔融树脂以喷墨方式沉积到纤维材料板上,通过层叠与剪切构筑3D结构,再经高温使板材融合,并用喷砂清理多余的未粘结在碳纤维表面的材料。

  德国Envision TEC公司推出了其研制的SLCOMI型3D打印机,该打印机可以实现碳纤维织物及复合材料的工业化生产加工,可应用于多种热塑性树脂体系的。研究人员研发了一种旋转3D打印技术,该技术通过对3D打印机喷嘴速度和旋转精度的精确操控,来实现短纤维在聚合物基体内的精确排布,可根据需要控制短纤维在基体内的排列取向。

  近年来,4D打印技术也开始崭露头角,4D打印是指通过3D打印制备的结构在特定的外界条件(温度.湿度等)刺激下,按照预先设计自组装与变形,无需人为干涉,即通过3D打印制造随时间产生变化的物质。研究人员利用4D打印技术制备了一种双层智能碳纤维复合材料,两层板材分别采用碳纤维增强PLA和碳纤维增强PEEK复合材料,当受到外界温度变化的刺激时,表面层与基底层之间会因为各自不同的应变行为使材料发生弯曲变形,这种双层智能材料和4D打印方法在生物传感器执行器和人工肌肉上有很大的应用前景。

  近些年来,碳纤维复合材料在民用和军用领域已经得到了十分广泛的应用,其成型制备工艺技术也历经了几十年的发展历程,高效率、低成本、低能耗以及自动化是未来碳纤维增强热塑性复合材料成型工艺的发展方向。目前,我国碳纤维复合材料结构件的制备技术还停留在传统成型工艺上,这也是制约我国高性能碳纤维复合材料发展的重要原因,是未来亟待解决的重要技术问题。