三維打印與真空輔助融合的復合材料成型探索

欒叢叢， 王振威， 沈洪垚，c， 傅建中，c

（浙江大學a.工程訓練（金工）中心，杭州310058；b.機械工程學院，浙江省三維打印工藝與裝備重點實驗室，杭州310027；c.流體動力與機電系統國家重點實驗室，杭州310027）

0 引 言

隨著社會經濟的迅猛發展和科學技術的不斷進步，復合材料在日常生活與國防工業領域中的應用日益增加，結構也越來越復雜［1-2］。而復合材料成型工藝是復合材料得以廣泛應用的基礎，對復合材料最終性能具有重要影響。目前常見復合材料成型工藝主要包括手糊成型［3］、真空輔助成型［4］、纏繞成型［5］、拉擠成型［6］等，每種工藝都具有各自的優缺點，適用于不同性能與批量的產品制造。真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝因其成本低、污染小、效率高等優點而得到廣泛的應用［7］。

模具是真空輔助樹脂傳遞模塑成型過程的必需工藝裝備，決定著最終成型產品的結構復雜度及表面質量［8］。而當前眾多復合材料成型模具尚處于經驗設計階段，依賴于設計人員所掌握的知識和經驗，嚴重制約了成型模具的設計效率，極大延長了產品的生產準備周期［9］。模具的快速設計制造是提高復合材料成型工藝生產效率的一大關鍵舉措，而數字化設計和快速制造是決定模具制造周期和成本的兩大核心技術［10］。探索開發模具快速設計制造與真空輔助融合的復合材料成型工藝對于提高復合材料生產效率具有重要意義。

蓬勃發展的三維打印技術融合數字化設計方法，可實現復雜結構的快速制造，為復合材料構件成型模具的快速設計制造提供了一種可行的技術手段。三維打印技術以CAD數據為基礎，采用材料逐層疊加的方法實現實體零件的直接制造［11］，在隨形冷卻注塑模具［12］、構件鑄型［13］、射孔模具［14］等方面逐步展開應用。目前較為成熟的用于模具直接制造的三維打印技術主要包括選擇性激光燒結、選擇性激光融化、電子束選區融化等［15］，但上述技術具有投資高、專業性強等特點，不適合高校內大范圍的本科生教學實訓。

作為低成本、易操作的熔融層積成型技術在復合材料成型模具中的應用鮮有報道，本文探索嘗試將熔融層積成型技術運用到復合材料構件成型模具的設計制造，并與真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝結合，開發三維打印與真空輔助融合的復合材料成型實驗具有重要的工程應用價值和實踐教學意義。

1 工藝流程

三維打印與真空輔助融合的復合材料成型整個工藝流程如圖1所示，主要包括基于三維打印的模具設計制造一體化過程和纖維復合材料真空輔助成型過程，前者主要實現模具的快速設計制造；而后者主要實現纖維復合材料構件的成型。

圖1 三維打印與真空輔助融合的復合材料成型工藝流程

1.1 設計制造一體化過程

（1）模具設計。采用三維建模軟件（如SolidWorks、CATIA、UG）構建成型模具數字化三維模型，更進一步地，可結合復合材料工藝仿真軟件（如PAM-RTM）對模具表面或內部的流道進行優化再設計。

（2）模具制造。將設計好的三維模型轉化成三維打印設備可識別的控制代碼（如G代碼），并傳輸給打印設備，實現模具的快速制造。

1.2 纖維復合材料真空輔助成型過程

（1）材料準備。包括纖維增強體（如碳纖維束/布、玻璃纖維束/布）、樹脂膠（如環氧樹脂+固化劑）；脫模布、脫模劑、導流網、真空膜、真空泵、密封膠帶等。

（2）材料鋪放。按照一定的順序將密封膠帶、脫模劑、纖維增強體、脫模布、導流網等鋪放在模具表面。

（3）封裝和抽真空。將真空袋覆蓋已鋪放的材料表面，形成真空環境并用真空泵檢查氣密性。

（4）注膠和固化。通過真空泵將樹脂液通過模具中的流道導入復合材料構件內部，隨后進行固化。

（5）脫模和修整。將前述帶有模具的已固化好的復合材料結構件中的模具移除，并進一步修整獲得最終所需結構。

2 實驗驗證

以熔融沉積成型三維打印工藝為例，采用連續碳纖維束與碳纖維布為增強體材料、雙組分環氧樹脂膠為復合材料基體材料、聚乳酸為模具材料，設計制造碳纖維復合材料殼體進行所提出方案可行性驗證。

2.1 芯模一體化設計制造

采用三維設計軟件Solidworks設計如圖2所示的芯模。芯模直徑d1=50.0 mm，厚度t=3.0 mm，高度h=80.0 mm，流道直徑d2=4.0 mm。

圖2 芯模結構數字化設計（mm）

將設計好的芯模導出STL格式文件并采用三維切片軟件Cura進行切片生成打印機可識別的G代碼，將G代碼傳輸給打印機實現芯模的制造，具體過程如圖3所示。

圖3 從數字化設計模型到實體三維打印過程

打印工藝參數對結構件力學性能具有重要影響，考慮真空輔助成型對氣密性要求，而三維打印層層疊加的特性可能因層間界面黏結不足而導致氣密性下降，實驗中通過增加結構件壁厚與填充率的方法確保滿足真空氣密性要求。具體打印工藝參數：壁厚1.0 mm，層高0.2 mm，填充率100%，打印速度50 mm/s，打印溫度200℃。采用上述參數制造的芯模見圖4。

圖4 三維打印芯模制造結果

2.2 纖維復合材料真空輔助成型

根據芯模尺寸裁剪合適尺寸的碳纖維布、脫模布、導流網等材料；以環氧樹脂與固化劑比例1∶1配置環氧樹脂膠；將打印好的芯模表面進行打磨并涂敷凡士林，并將裁剪好的碳纖維布、脫模布、導流網等依次鋪放在模具表面，最后包覆真空膜；將塑料軟管分別與芯模的入膠口和出膠口連接，其中與出膠口連接的塑料軟管另一端與樹脂收集器連接，樹脂收集器通過另一塑料軟管與真空泵連接。采用扳機式快速夾夾緊與芯模入膠口連接的塑料軟管的另一端，開啟真空泵進行氣密性檢查。確認密封性完好后取下扳機式快速夾并將塑料軟管與環氧樹脂膠連接，再次啟動真空泵進行注膠直至整個碳纖維布被環氧樹脂膠浸潤；重新將扳機式快速夾夾緊與入膠口連接的塑料軟管以及與出膠口連接的塑料管，進行常溫固化。實驗裝置如圖5所示。

圖5 纖維復合材料真空輔助成型系統

將固化好的成型構件芯模去除，獲得所需的纖維復合材料結構，如圖6所示分別為單向連續碳纖維絲增強結構與碳纖維布增強結構，兩種結構均具有良好的成型效果，均可實現良好的浸潤，沒有出現未浸潤區。

圖6 碳纖維增強復合材料結構件

3 結 語

三維打印為復合材料成型模具的高效準備提供了可行思路，采用數字化設計與三維打印增材制造相結合的方法，可顯著提高復合材料成型模具的開發效率，縮短模具準備周期，特別是在小批量、個性化復合材料構件制備方面具有突出的優勢。提出了三維打印與真空輔助融合的復合材料成型工藝，并以單向連續碳纖維絲與碳纖維布為增強材料、雙組分環氧樹脂膠為基體進行實驗驗證，結果表明所提方法具有良好的可行性。未來將嘗試把三維打印與真空輔助融合的復合材料成型實驗推廣至學生實驗教學，培養學生創新性思維與工程化能力。