波音公司如何通過(guò)光固化3D打印技術(shù)來(lái)制造復(fù)合材料產(chǎn)品

魔猴君  行業(yè)資訊   2200天前

最近波音公司在開發(fā)連續(xù)樹脂基復(fù)合材料3D打印技術(shù)，通過(guò)光固化的技術(shù)來(lái)制造復(fù)合材料產(chǎn)品。

根據(jù)性能要求來(lái)設(shè)計(jì)材料。其基本原理包括，通過(guò)輸送機(jī)構(gòu)推動(dòng)絲材的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的3D打印過(guò)程，其中絲材包括非樹脂組分和光聚合樹脂組分。進(jìn)給機(jī)構(gòu)包括相對(duì)的輥?zhàn)雍团c至少一個(gè)相對(duì)的輥?zhàn)咏佑|的刮刀。

通過(guò)輸送導(dǎo)向器沿著打印路徑沉積一段連續(xù)柔性絲材，然后沿著打印路徑沉積的連續(xù)柔性絲材的一部分提供固化能量，通過(guò)使用刮刀去除光聚合樹脂組分的殘余物。

連續(xù)柔性絲材包括預(yù)浸料復(fù)合材料和非樹脂組分，包括一種或多種纖維材料，例如碳纖維，玻璃纖維，合成有機(jī)纖維，芳族聚酰胺纖維，天然纖維，木材纖維，硼纖維，碳化硅纖維，光纖，纖維編織物，金屬線，導(dǎo)線等。連續(xù)柔性絲材與增塑劑層疊以制造復(fù)合材料部件。

而具體采用哪一種材料，則需要根據(jù)所需要實(shí)現(xiàn)的物理特性來(lái)決定，這些物理特性包括強(qiáng)度，剛度，柔韌性或硬度等。不過(guò)除了強(qiáng)度，硬度，柔韌性，硬度的考慮，有時(shí)候還可以擴(kuò)展到顏色、發(fā)光、導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性等方面的精確選擇。

在加工過(guò)程中，除了可采用紫外線來(lái)固化聚合物樹脂，還可以采用紅外光或者X射線。

或許你會(huì)好奇為什么波音公司要開發(fā)這樣的材料，其實(shí)在波音公司宣布將600多件3D打印部件用于波音的Starliner太空出租車之時(shí)，這也意味著塑料代替輕質(zhì)金屬合金將成為交通工具領(lǐng)域的一大趨勢(shì)。

波音公司開發(fā)的連續(xù)樹脂基復(fù)合材料3D打印技術(shù)不僅僅適用于航空航天應(yīng)用，還可以應(yīng)用于其他行業(yè)，可以在車輛、海上交通工具、航天器等應(yīng)用。

市場(chǎng)上的連續(xù)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的3D打印方法存在以下主要問(wèn)題：

- 各類纖維在出廠時(shí)，其表面活性基團(tuán)均只適應(yīng)于與熱固性樹脂的浸潤(rùn)過(guò)程。在使用簡(jiǎn)單的措施將未處理的纖維與熔融熱塑性樹脂共混時(shí)，難以使纖維與樹脂充分浸潤(rùn)，這導(dǎo)致構(gòu)件的纖維-樹脂界面較差。

- 大絲束纖維呈展平帶狀，現(xiàn)有3D打印方法難以使用大絲束纖維，且小絲束纖維在成型過(guò)程中成型速度慢，成型后的表面質(zhì)量、纖維樹脂體積分?jǐn)?shù)、纖維樹脂分布情況、層間結(jié)合力等性能指標(biāo)難以控制。

- 現(xiàn)有的方法在打印過(guò)程中，由于纖維的局部分叉、斷裂，容易造成纖維在腔體中堆積、堵塞，對(duì)成型過(guò)程造成影響，同時(shí)，成型軌跡中纖維呈松散、無(wú)規(guī)律的分布狀態(tài)，使得構(gòu)件的承載性能受到影響。

在國(guó)內(nèi)，南京航空航天大學(xué)針對(duì)現(xiàn)有的熱塑性樹脂基復(fù)合材料3D打印成形時(shí)所使用的連接纖維尺寸較小，且不能對(duì)連接纖維實(shí)現(xiàn)有效浸漬而造成成型速度低、構(gòu)件尺寸受限較大、成型件綜合性能低的問(wèn)題，發(fā)明了連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的3D打印方法。適用于尺寸較大的纖維絲束，該打印技術(shù)成型速度快，表面質(zhì)量提高，同時(shí)纖維與熱塑性基體間的界面結(jié)合性能好，構(gòu)件纖維含量高，纖維密實(shí)度高，并且提高了打印構(gòu)件的力學(xué)。

南京航空航天大學(xué)還研發(fā)出連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)共混3D打印頭，其特征在于: 擠出頭連接于熔融腔也可繞中軸旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)方向與熔融腔相反；熔融腔與擠出頭內(nèi)側(cè)均有攪拌齒環(huán)，纖維束和熔融熱塑性樹脂受到兩級(jí)反向旋轉(zhuǎn)的螺旋齒環(huán)攪拌作用下均勻共混，且共混體以螺旋狀密實(shí)纏緊成圓柱絲束，樹脂沿纖維取向均勻分布；擠出頭擠出材料至成型區(qū)域并固化成纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。

南京航空航天大學(xué)的技術(shù)對(duì)當(dāng)前熱塑性復(fù)合材料成型技術(shù)是一種突破，南京航空航天大學(xué)采用兩級(jí)旋轉(zhuǎn)腔體對(duì)纖維和樹脂的共混體進(jìn)行攪拌和纏繞，適用于較大尺寸的纖維絲束，優(yōu)化了打印頭對(duì)纖維原有狀態(tài)的適應(yīng)性，在相同的建造速度下，提高了打印效率，改善了構(gòu)件的表面質(zhì)量；攪拌共混的作用下，纖維與樹脂間的浸潤(rùn)充分，共混體中的纖維呈緊密螺旋纏繞狀，提高了增強(qiáng)體的承載能力，樹脂在纖維中各處分布均勻，改善了構(gòu)件的層間和界面結(jié)合性能，提高了打印構(gòu)件的力學(xué)性能；擠出頭的旋轉(zhuǎn)作用可使共混體在擠出后，纖維與樹脂的分布均勻，纖維體積含量高。

當(dāng)前針對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料成型FDM打印技術(shù)領(lǐng)域，活躍的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)包括美國(guó)Mark Forged，日本大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)，西安交通大學(xué)等。3D打印隨著南京航空航天大學(xué)將這一技術(shù)水平推向新的高度，我們認(rèn)為FDM技術(shù)用于連續(xù)纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料打印技術(shù)進(jìn)一步走向工業(yè)級(jí)應(yīng)用。

南京航空航天大學(xué)的突破性在于實(shí)現(xiàn)了較高力學(xué)性能連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性基體復(fù)合材料構(gòu)件的3D打印，且成型效率高，表面質(zhì)量好，可適用于對(duì)性能要求較高的航空航天復(fù)雜構(gòu)件的成型過(guò)程。

從金屬到高性能材料的轉(zhuǎn)換目前是航空航天市場(chǎng)的一個(gè)既定趨勢(shì)，復(fù)合塑料成為追求設(shè)計(jì)自由度、制造便利性和輕質(zhì)以超越傳統(tǒng)鋁材的方案。

來(lái)源：中國(guó)3D打印網(wǎng)