【全國首創】 高性能連續纖維增強熱塑性複合材料3D印表機即將上市

2021-02-13 陝西恆通3D列印

繼上周推出的PEEK材料耐高溫3D印表機之後，陝西恆通3D列印設備又添一員猛將---高性能連續纖維增強熱塑性複合材料3D印表機。此款設備是由機械製造系統工程國家重點實驗室3D列印研究團隊與陝西恆通研發團隊共同研發，為全國首創。

碳纖維複合材料在航天、軍工、電子等諸多領域都有著很廣泛的應用，碳纖維複合材料是航空航天結構中最重要的組成部分，常用於飛機和太空飛行器的內部骨架以及發動機等零件的固定支架等。隨著科技的不斷進步，碳纖維複合材料製品業進入了平常人的生活中，小到羽毛球拍，大到汽車無處不見到碳纖維複合材料的身影。碳纖維複合材料的強度要高於銅，自身重量卻小於鋁，與玻璃纖維相比，碳纖維還有高強度、高模量的特點，是非常優秀的增強型材料。還可以作為新型的非金屬材料進行應用，它的主要特點有：高強度、耐疲勞、抗蠕變、導電、電模量、抗高溫、抗腐蝕、傳熱、比重小和熱膨脹係數小等優異性能。但高昂的製造成本限制了複合材料的廣泛應用。與現有主要的復材製造技術，如熱壓罐成型技術、傳遞模塑（RTM）成型技術、纏繞成型技術、自動鋪放技術相比，本次推出的複合材料3D列印工藝，具有成本低、效率高、無需模具、材料可回收利用等優勢，能實現複雜結構複合材料構件的快速製造，詳見表1。

表格 1 複合材料3D列印工藝對比

工藝裝備特徵

連續纖維增強熱塑性
複合材料3D列印

現有主要的復材製造技術

機器成本

機器成本相對較低

整套工藝裝備十分昂貴

製件成本

無需任何模具，大大降低製件的成本

每製作一種零件就需要一個昂貴的模具，成本較高

製件複雜度

由於3D列印的靈活性，從理論上可以製造相對較為複雜的零件結構

對於大多傳統工藝技術而言，主要的復材零件結構為簡單迴轉體與殼體，複雜結構需要進行復材的連接

適用材料

各類連續纖維（如：碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等），熱塑性基體材料（如：PLA、尼龍等）

各類連續纖維，目前主要以熱固性基體材料為主，而熱塑性複合材料也在逐步發展

纖維含量

可實現纖維含量在線調控

不能動態調整纖維含量

操作性

操作簡單，與普通FDM 3D列印設備操作相似

操作複雜，且需要專業人員

高性能連續纖維增強熱塑性複合材料3D列印技術是以連續纖維增強熱塑性高分子材料，實現高性能複合材料零件直接3D列印，採用連續纖維與熱塑性高分子材料為原材料，利用同步複合浸漬-熔融沉積的3D列印工藝實現複合材料製備與成形的一體化製造。


圖1連續纖維增強聚合物基複合材料3D列印原理[1]

經測試，所製備的Cf/PLA（Cf-27wt%）複合材料抗彎強度達到了350MPa左右，抗彎模量達到了30GPa，是傳統PLA零件（48~53MPa）的7倍左右，如圖2所示。經試驗，採用複合材料3D列印工藝可以實現複雜結構複合材料構件的快速製造，圖3為列印出的薄壁結構零件。


圖2可通過改變工藝參數實現複合材料力學性能調控


圖3碳纖維增強PLA複合材料薄壁樣件，a)為薄壁圓筒結構，b)為尾翼結構

隨著該技術的成熟和3D列印設備的上市，將大大降低碳纖維複合材料製件的生產成本並提高生產效率，必將推動熱塑性複合材料更廣泛的應用。我們將擇日在微信公眾號上發布設備的圖片及具體技術參數，請大家持續關注。

（1）一種連續長纖維增強複合材料3D印表機及其列印方法，ZL2014103256503.3，2016.02，授權

（2）一種纖維增強複合材料多自由度3D機及其列印方法，ZL201410325554.9，2016.08，授權

（3）一種連續纖維增強複合材料3D列印頭及其使用方法，201410706201.3，公開

（4）一種連續纖維增強複合材料3D列印的多級送絲列印頭，201510633569.6，公開

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