高性能連續(xù)纖維增強復合材料3D打印設備及工藝

來源：西安交通大學青島研究院

項目簡介
本項目以連續(xù)纖維增強熱塑性聚合物基高性能復合材料零件直接 3D 打印為目標，采用連續(xù)纖維與熱塑性聚合物為原材料，利用復合浸漬-熔融沉積的 3D打印工藝實現(xiàn)高性能復雜結構復合材料構件的低成本一體化快速制造，與現(xiàn)有的復材制造技術，如熱壓罐成型技術、傳遞模型（RTM）成型技術、纏繞成型技術、自動鋪放技術相比，復合材料 3D 打印工藝的主要優(yōu)勢在于成本低、周期短，能實現(xiàn)復雜結構符合材料構件的快速制造。

技術指標
1. 桌面型連續(xù)纖維增強復合材料 3D 打印機
團隊自主研發(fā)了桌面型連續(xù)纖維增強復合材料 3D 打印機，所制備的 Cf/PLA復合材料抗彎強度達到了 390MPa，是傳統(tǒng) PLA 零件（48-53MPa）的 7 倍，性能與鋁合金相當，重量減少五分之二。

2. 大尺寸高速高穩(wěn)定性連續(xù)纖維復合材料 3D 打印機
團隊自主研發(fā)了高速打印噴頭系統(tǒng)，采用雙噴頭打印模式，一個噴頭用于纖維干絲的復合打印，另一個噴頭用于支撐等輔助材料的打印，同時具有連續(xù)纖維的在線剪斷-續(xù)打處理功能，可實現(xiàn)高性能復合材復雜構件的一體化快速制造，滿足工業(yè)領域對于大尺寸構件的應用需求，適用于航空航天、汽車交通等領域。

3. 復合材料輕質結構一體化制造技術
連續(xù)纖維增強復合材料輕質結構被廣泛應用于航空航天、高速列車和船舶等領域，然而傳統(tǒng)制造工藝方法對其一體化成型，成型周期長、成本高，限制了復合材料輕質結構的應用。團隊提出了基于連續(xù)纖維增強復合材料輕質結構的一體化制造工藝，所制備的連續(xù)芳綸纖維增強 PLA 復合材料輕質結構，再纖維含量達到 11％時，抗壓性能達到 17MPa，優(yōu)于傳統(tǒng)制造方式的波紋輕質結構。

4. 高效電磁屏蔽復合材料可控制造技術
隨著電磁污染日益加重，高性能電磁屏蔽復合材料越來越受到關注，利用連續(xù)纖維增強復合材料 3D 打印工藝可實現(xiàn)電磁屏蔽材料的可控制造，所制備材料的電磁屏蔽效能、彎曲強度、拉伸強度分別達到 75.6dB、105MPa和 125MPa，且屏蔽效能在 8-75.6dB 內可調，其良好的電磁屏蔽性能、機械性能、加工性能以及較低的加工成本使其在航空系統(tǒng)和衛(wèi)星天線領域展現(xiàn)出良好的應用前景。

5. 短切碳纖維增強復合材料構件選區(qū)激光燒結成形
選區(qū)激光燒結以 CO2激光器作為熱源，以增強纖維與聚合物的復合粉末作為原材料來完成纖維增強工程塑料復合材料的 3D 打印。目前，采用選區(qū)激光燒結技術，可完成碳纖維增強尼龍復合材料以及碳纖維增強聚醚醚酮復合材料的制備，與純樹脂的制件相比，復合材料具有更高的機械強度、耐熱溫度、制件精度等。適合于航空航天、汽車和消費品等行業(yè)需要優(yōu)化形狀、重量的部件及受力結構件的終端制造，中小批量的快速制造，對于復雜結構功能零件的制造尤為適合。

市場前景及應用
該技術屬于國內首創(chuàng)，獲得多項自主知識產權，受到國內外越來越多機構的關注，在國內，本項目得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、載人航天等項目的支持，開展關于工藝機理與裝備等方面的研究，探索該工藝在航空航天領域的應用前景，在國外，分別與德國、俄羅斯等研究單位合作對該工藝的材料以及結構設計開展研究，研究水平國內外領先。

在當今全球 3D 打印領域快速發(fā)展的形勢下，復合材料 3D 打印具有巨大的發(fā)展前景，據 SmarTech 預測，至 2026 年全球用于 3D 打印的復合材料收入將超過5 億美元，未來十年內復合材料將成為 3D 打印最主要的市場機遇，目前該項技術已經開發(fā)出了成熟的工業(yè)設備，形成了成熟的裝備-材料-工藝體系，具備了商業(yè)化應用的條件，已經初步在復合材料輕質結構等方面得到應用，隨著該技術的成熟，將來必將在航空航天、汽車交通甚至民用領域得到廣泛的應用。

項目專家
【田小永】（機械學院）

【研究領域】
1）功能、結構一體化創(chuàng)新設計與3D打印，如超材料新型微波器件、結構電子等；

2）多材料、復合材料3D打印（增材制造）技術及其應用研究。