纤维增强复合材料的3D打印
发布日期：2021-12-03 浏览数：597 次
目前，增材制造技术已可以实现热塑性材料、金属、陶瓷和光敏树脂等多种的成型来满足不同行业的需求，例如航空航天、汽车或生物医疗等。当前纤维增强复合材料等复合材料同样可以实现3D打印。复合材料的增强体通常以粉末或长丝的形式存在，比传统的聚合物材料单体材料相比具有更优异的力学性能，例如更低的密度、更高的刚度以及抗冲击性，因而吸引了越来越多开始关注复合材料的增材制造。本文将提供复合材料专家对如何将复合材料3D打印集成在不同的生产链中的建议。
复合材料是指将更强的第二相复合到基体材料之中以实现对基体材料进行显著增强的一类材料。根据基体的材料种类，可以分为聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料和金属基复合材料，通常指的是纤维增强聚合物基复合材料，而在此其中，最常用的主要为碳纤维和玻璃纤维增强复合材料，玻璃纤维和碳纤维作为轻质高强材料在与聚合物材料复合之后，可以在保持材料轻质的同时显著提升材料的强度与刚度。而纤维增强复合材料可以根据增强相纤维的形貌分为长纤维（连续纤维）增强复合材料和短纤维（非连续纤维）增强复合材料。其中碳纤维增强复合材料（Carbon fiber reinforced plastics，CFRP）由于其轻质高强的特性在例如航空航天、汽车和体育用品等众多领域有了广泛的应用。而玻璃纤维增强复合材料（Glass fiber reinforced plastics，GFRP）强度不如CFRP，但是其优异的耐蚀性和介电性能使它们成为电气工业应用的理想材料。
图 1复合材料分类示意图
图 2 3D美国某复合材料公司与3D打印公司合作制备的打印复合材料机翼
在这里需要注意的是，对于不同类型的纤维，3D打印的方式也显著不同。短纤维可以直接添加至基体聚合物材料中，在分布均匀后制备成丝材。而连续长纤维的加入则需要分别打印施加，但是需要使用特殊的3D打印机。与可添加到传统聚合物中的短纤维增强材料相比，连续纤维复合材料的生产成本更高，但是具有更优异的性能。连续纤维的复合材料可以通过多种方法制造，但是通常需要手工一层一层地铺好，并且需要使用昂贵的模具和固化设备。而3D打印的优势可以通过两个喷嘴分别送连续纤维和基体材料实现复合材料的自动化制备。对于复合材料的3D打印工艺而言，基体材料和纤维材料共同决定了打印工艺，考虑到当前的工艺具有非常广泛的可用材料，因此大多数FDM打印机均可实现短纤维复合材料的打印。然而对于连续纤维增强复合材料，常见的FDM工艺却存在较大挑战，因为涉及到通过喷嘴将连续碳纤维沉积到基板上并根据需要进行切割的设备，此外3D打印机的设置也至关重要的，纤维挤出的方向直接影响了纤维的分布方向，因而也决定了3D打印复合材料的力学性能，因此打印机的设置也应当根据所需要的复合材料的力学性能进行仔细的设计。相比而言，短纤维增强复合材料中纤维分布方向比较随机，因此打印方向对短纤维增强复合材料的力学性能影响较小。
图 3复合材料FDM打印机的示意图
复合材料的3D打印与其他材料的3D打印优势是相同的，更短的生产时间，更少的材料消耗，更复杂结构的可能性。此外，复合材料的3D 打印可以通过设计纤维的分布方式来调控打印件的性能。在使用连续纤维增强复合材料进行打印时，这一点尤其明显。在相同的操作条件下，它可以生产比金属零件轻数倍的零件。对于航空航天、机器人、运动和医疗保健等高性能应用而言，减轻重量尤为重要，因为更轻的部件意味着更少的能源消耗、更低的运输成本和更高质量的产品。未来几年 3D 打印复合材料的使用将在尺寸、生产率和力学性能方面取得显著进展。SmarTech 市场分析指出全球复合材料市场将在未来五年内增长 22.3%。
连续纤维复合材料的3D打印虽然仍面临一些挑战，但是这也支持了更灵活的结构设计以获得具有更优异性能的复合材料构件。例如可以结合构件的实际应用场景和承载分布，通过纤维增强格子结构、纤维转向、局部增强等设计方法实现性能最优化。
图 4 欧洲某3D打印公司制备的纤维不同分布方式的3D打印连续纤维复合材料
山东中科先进技术研究院与青岛博瑞科合作成立的微纳米3D打印与智能制造工程中心已经建成全三维实验室，致力于为包括先进体育装备、医疗器械等各个行业提供先进制造与表征的全三维解决方案。中心所开发的工业级FDM打印机具有成型尺寸大、打印稳定、精度高等特点，专业打印高强度大尺寸的工业用品，可以实现碳纤维复合材料的3D打印。并同时具备其他传统的3D打印技术（SLA、SLM、LCM）可以实现全材料体系（金属、陶瓷、高分子等）的快速成型。工程中心同时具备3D-DIC全场形变表征可以对复杂形状构件在多场耦合条件下下进行力学行为非接触表征，提供构件在模拟真实服役条件下的全场应变信息，从而进一步指导构件设计，加速产品迭代。
图 5中心开发的FDM-3D打印机与碳纤维3D打印件
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