3D 打印技術在復合材料中的應用與發展

黨 樂，張夢雨，成艷娜，閆 超*

（1．海裝西安局，西安 710054；2.中航西安飛機工業集團股份有限公司，西安 710089）

隨著對飛機減重和性能要求的提高，復合材料在航空飛行器中的應用越來越多，對復合材料成型技術也有了更多要求。傳統的熱壓罐成型技術在工業生產中應用最廣，已被大量應用于飛機的機身、機翼等結構部位。但熱壓罐成型技術仍具有一些無法解決的問題：①設備投資高，如熱壓罐、冷庫、清潔間等；②工裝設計制造和研制周期長；③仍存在產品變形、內部質量、表面質量等問題；④工裝、材料、人工、質量成本高。

3D 打印技術作為一種增材制造技術，與傳統的減材技術不同，通過輸入3D 數字模型—離散為二維片層—材料連續疊層及固化的方式，成型復合材料。3D打印技術具有以下優點：①采用一體化成型技術，無需裝配，在形狀復雜的異形件制造中具有很大優勢；②結構強度好，結構設計性強；③成本低、效率高，成型時不需制造特定模具，且自動化程度高。

在對復合材料需求越來越多，對產品性能、成本控制、生產周期要求越來越高的今天，3D 打印技術能夠很好地滿足航空制造業的生產需求。因此，研究3D 打印技術在航空產業的應用具有重要意義。

1 分類和基本工藝模型

1.1 3D 打印分類

3D 打印技術可根據其工作原理分為不同的類別，其中適用于航空復合材料制造的技術主要有定向能量沉積（DED）、選擇性激光燒結（SLS）、材料擠出（ME）、立體光刻（SLA）、分層實體制造（LOM）、熔融沉積成型（FDM）[1]。其適用原材料、原理和特點見表1。

表1 3D 打印分類及其原理

1.2 基本工藝流程

最常用的熔融沉積技術（FDM）和液體樹脂光固化成型技術（SLA），常見的成型工藝一般要經過前處理、分層疊加成型和后處理三個階段。先對待成型件進行建模，并對模型進行切分，再以積分的形式將切片堆積，從而形成所需制件，如圖1 所示[2]。

圖1 3D 打印過程示意圖

2 最新研究

2.1 原材料

在飛機零件制造中，金屬材料3D 打印在工業領域用途廣泛，特別是鈦合金材料。非金屬材料的3D 打印也在逐步發展，如高分子聚合物、聚乳酸等。材料特性直接決定成型產品的強度、剛度等力學性能[3]。一般3D 打印技術的打印材料為PLA、PEEK 和ABS 等熱塑性非金屬材料。復合材料3D 打印技術的纖維主要以短纖維材料為主，基體以熱塑性材料為主，設備和材料實現了商業化。熱固性樹脂也實現了短切纖維增強復合材料的3D 打印。

哈佛大學通過對環氧樹脂的改性，首次實現了熱固性樹脂的3D 打印。通過添加納米粘土、二甲基磷酸酯、碳化硅晶須和短切碳纖維，以咪唑基離子做固化劑，拓大了樹脂打印窗口；通過控制纖維尺寸和噴嘴半徑，使纖維在剪切力和擠出流的作用下發生取向；先在較低的溫度下預固化，然后從基板上移出再進一步高溫固化，從而提高產品性能，如圖2 所示。

圖2 熱固性樹脂的3D 打印

北京化工大學薛平教授研究了3D 打印短切玻璃纖維增強聚乳酸復合材料。探究了玻璃纖維含量、偶聯劑含量、相容劑含量對聚乳酸復合材料性能的影響。結果表明，玻璃纖維含量在25%時，其力學性能最好，如圖3 所示。

圖3 玻璃纖維含量與復合材料性能的關系

2.2 設備

美國Mark Forged 公司研發了名為Mark One 的連續纖維增強熱塑性復合材料3D 打印設備，打印出了碳纖維增強尼龍復合材料。2 個噴頭輪流工作，實現纖維和樹脂的復合，噴頭1 負責輸送樹脂，噴頭2 負責輸送預浸纖維絲。如圖4 所示。

圖4 3D 打印設備Mark One

但該設備的纖維取向一定，僅能實現X/Y方向纖維取向。且可打印尺寸較小，產品尺寸僅有0.6 m×0.4 m×0.3 m，因此，還需進一步改進。

西安交通大學明越科研究了連續纖維增強熱固性樹脂基復合材料3D 打印工藝，將常溫下為固態的環氧樹脂、熱固化劑雙氰胺、3K 碳纖維制備成3D 打印絲材，將絲材加熱至130 ℃，經二次預浸后擠出冷卻，形成3D 打印預成型體，將3D 打印預成型體完全埋入氯化鈉中，抽真空填充內部空隙，烘箱固化成制件，如圖5 所示[4]。

圖5 3D 打印設備、工藝、固化過程

該研究首次將連續纖維作為熱固性樹脂的增強體進行3D 打印，為3D 打印熱固性樹脂在航空產業中的應用提供了新思路。但該研究仍處于實驗室級別，成型設備簡陋，工藝穩定性差，成型零件尺寸較小，難以進行工業化應用。

3D 打印設備的噴嘴也會影響成型的完成度和成型質量FDM 熔融沉積式的打印設備，耗材直徑固定為1.75 mm，一般噴嘴流道直徑為0.4 mm 以上。噴嘴直徑設置為1 mm 時力學性能最大，0.4 mm 時堵塞現象特別嚴重，熔體無法流暢擠出，打印線條之間出現縫隙，無法形成密實的樣條[5]。

2.3 加工參數

影響3D 打印效果的加工參數主要包括打印溫度、打印速度和打印路徑。

打印溫度是指在打印時設定打印噴嘴的溫度，溫度會影響高分子材料在流體狀態下的流變性能、粘彈性，調節打印溫度可以控制打印過程塑化和其在熔融狀態下的打印效果，可能會影響其固化及尺寸收縮情況[6]。

原材料從3D 打印噴嘴中以一定速度擠出并粘附在3D 打印平臺上，快速冷卻，組合成制品。3D 打印速度太低或太高均使可成型表面形成缺陷，影響質量。

3D 打印路徑是指3D 打印噴嘴的路徑。通過設置軟件參數來設定3D 打印的路徑，即噴嘴擠出熔體的方向。由于熔體路徑決定復合材料中纖維的路徑，控制纖維取向，因此3D 打印路徑對復合材料力學強度有重要作用。采用了回形路徑、0°路徑、±45°路徑、±90°路徑。也可以通過設計鋪層，不同鋪層制件角度交替打印成型。

3 應用

2013 年，EADS 公司采用3D 打印技術，用熱塑性材料制造出了微型無人機原型。英國南安普頓大學打印出了世界上第1 架“3D 打印”飛機——小型無人駕駛飛機“SULSA”，且已試飛成功，其原材料為增強型ABS 塑料，翼展2 m，同時配備有用于巡航的微型自動駕駛系統[7]。

3D 打印公司stratasys 聯合航空公司Aurora Flight Sciences 在迪拜航空展上發布了世界首架3D 打印的噴氣動力無人飛機，機身由尼龍3D 打印而成，打印僅歷時9 d[8]。

4 發展趨勢

我國雖然對3D 打印有所研究，但工藝成熟度仍有所不足，特別是在航空制造領域，在成型材料、成型工藝、成型設備方面均具有一定發展空間。常用航空制造熱固性材料成型具有不可逆性，無法像熱塑性材料采用擠出工藝制造原材料后打印，也無法像金屬材料一樣采用粉末打印，因此需要開發適宜3D 打印的材料，此類材料需具備一定黏度和流動性，且操作時間相對較長、成型時間相對較短[9]。熱固性樹脂基復合材料需要加溫加壓以增加制件的密實度，可以在打印設備內部將坯體進行預壓實和加熱，確保材料在打印過程中也具備較強的致密性，并在打印完成之后進行最終固化處理。與傳統工藝相比，3D 打印技術受產品設備尺寸和材料范圍限制，不同材料打印出來的產品性能、尺寸精度和表面質量等相差較大，因此需將3D 打印與精確銑切技術相結合，制造尺寸精度合格的產品。