高性能纖維增強樹脂基復合材料3D打印及其應用探索

李林波

摘 要：高性能纖維增強樹脂基復合材料是以有機聚合物為基體的復合型材料，其力學特點為強度大、高性能，非常適合在成型工藝中使用。然而由于高性能纖維增強樹脂基復合材料成本高、回收難，導致其在材料成型領域無法得到高效應用。3D打印也是快速成型技術的一種，將3D打印技術用于高性能纖維增強樹脂基復合材料的制造，為復合材料的低成本、綠色制造創造了可能性。

關鍵詞：高性能纖維增強樹脂基復合材料；高性能；應用；3D打印

前言：

高性能纖維增強樹脂基復合材料由于質量輕、耐熱性強、硬度大等特點而被廣泛應用于飛機制造領域，目前大部分飛機的機身、機翼等部位的建造原材料中都有高性能纖維增強樹脂基復合材料的影子，其為飛機減重以及飛機飛行綜合能力的提升做出了巨大的貢獻。傳統的高性能纖維增強樹脂基復合材料成型工藝主要分為兩個步驟：第一步是準備纖維預浸料，第二步則是運用液壓等方法將準備好的纖維預浸料進行成型加工。由于工藝步驟繁多，導致整個加工過程耗時長且效率低。另一方面，對于剩余的高性能纖維增強樹脂基復合材料的處理辦法通常是物理粉碎或是化學降解，但其殘留物極易對環境造成污染。因此，研發面向高性能纖維增強樹脂基復合材料的成型工藝技術勢在必行。3D打印技術的出現高效解決了這一難題，3D打印技術不同于其他的材料成型工藝，其操作過程簡單且成本低廉，非常適合高性能纖維增強樹脂基復合材料的成型需求。本文即對高性能纖維增強樹脂基復合材料3D打印工藝進行概述并對其應用現狀加以分析。

1、高性能纖維增強樹脂基復合材料3D打印工藝現狀

1.1 纖維增強熱固性樹脂基復合材料3D打印

纖維增強熱固性樹脂基復合材料3D打印大致可分為LOM、SL以及3DP三種工藝技術手段。LOM即為分層實體制造工藝，其主要的工藝流程是將預先準備好的預浸帶放至打印工作臺，激光將預浸帶的每個三維橫斷面按照模型參數進行切割，再反復進行疊加固化過程直至材料成型。國外學者已經利用LOM工藝實現了對玻璃纖維的3D加工成型，且零件的抗壓程度效果非常理想。

SL即立體光固化工藝，其主要工藝流程不同于LOM技術，在將預浸帶放至打印工作臺等待激光切割前需在零件內部放入一層連續纖維編織布。這樣在材料發生聚合反應形成固化的過程中，即可實現連續纖維布與樹脂基體的融合。目前該工藝技術手段在國外使用范圍較為廣泛，在國內則應用較少。

3DP即為三維打印工藝，是最基本的快速打印技術。其基本加工步驟是將粉末型化學材料逐層黏合固化，形成三維物體形狀。美國哈佛大學實驗室早年研制出了3D打印的“墨水”，即一種短切碳纖維增強樹脂基，可實現66MPa的拉伸強度。此外，研究人員還在該工藝上進行技術創新，控制墨水流向制造出取向纖維。

1.2纖維增強熱塑性樹脂基復合材料3D打印

現階段被廣泛應用的纖維增強熱塑性樹脂基復合材料3D打印工藝技術手段大致可分為SLS、FDM兩種。其中SLS選區激光燒結工藝是利用激光對工作臺上的化學原料按照設置路徑進行逐層燒結，經過層層固化后完成材料成型的過程。通常情況下，增強相的選擇以短纖維為宜，短纖維可與熱塑性樹脂基材料快速融合成復合材料，再經過激光燒結完成成型工藝。目前，許多發達國家已經將此技術廣泛應用于商業用途，例如德國的EOS公司就已成功將碳纖維與熱塑性樹脂基材料融合，形成的復合材料經過SLS激光燒結后快速成型為制造用加工零件。

FDM即熔融沉淀成型工藝，是利用機器的打印頭將熱塑性樹脂基復合材料加熱融合，再按照既定路徑將其輪廓堆積起來，單層輪廓經過層層堆積后即可實現材料的快速成型。目前國內外學者已經利用FDM技術創造出許多科研成果，如美國一汽車制造商于2014年用3D技術打印出的汽車模型中超過80%的ABS樹脂材料是通過FDM技術加工制造而成。我國許多高等學府如北京航空航天大學等也早已成功完成了材料優化課題。

2、應用現狀分析

高性能纖維增強樹脂基復合材料3D打印技術為復合材料的低成本快速制造提供了技術支持，在航空航天以及新能源汽車等領域有著良好的發展前景。但經調查顯示，雖然3D打印技術已實現復雜性復合材料的融合成型，卻還僅停留在實驗室階段，未進行商業化推廣。一方面原因是3D打印技術起源于上世紀90年代，發展時間較短，技術是否成熟尚未可知，另一方面則是原材料的局限性導致該技術不能用于零件量產。因此，想要將高性能纖維增強樹脂基復合材料3D打印技術廣泛應用于日常生活，還需要不斷進行科研探索。

3、結束語

綜上所述，高性能纖維增強樹脂基復合材料3D打印技術可克服復合材料制造過程中成本高、回收難的問題，實現復合材料低成本的綠色制造，可被廣泛應用于航空航天及新能源汽車領域，有著廣闊的發展前景。然而，由于原材料及技術水平限制，目前對高性能纖維增強樹脂基復合材料3D打印技術的應用還僅停留在實驗室階段，沒有實現商業化量產。因此，想要將高性能纖維增強樹脂基復合材料3D打印技術普及到日常的生產制造環節中還需優化材料性能并提高技術手段。

參考文獻：

[1] 何亞飛，矯維成，楊帆，等.樹脂基復合材料成型工藝的發展[J].纖維復合材料，2011（2）：7-13.

[2] 沈軍，謝懷勤.航空用復合材料的研究與應用進展[J].玻璃鋼/復合材料，2006（5）：48-54.

[3] 唐見茂.航空航天復合材料發展現狀及前景[J].航天器環境工程，2013，30（4）：352-359.