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  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，我們不由得感嘆于塑料代替輕質(zhì)金屬合金將成為交通工具領(lǐng)域的一大趨勢。而最近在國內(nèi)，南京航空航天大學(xué)在連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂打印技術(shù)取得了創(chuàng)新突破。


  熔融沉積成型(FDM)技術(shù)憑借其較低的成本和較優(yōu)異的可實(shí)現(xiàn)性，近年來取得了很大的市場占有率。但該工藝使用可加熱融化的熱塑性樹脂耗材為成型材料，材料本身不具有連續(xù)性，層內(nèi)分子團(tuán)間距較大，且逐層鋪疊的工藝特點(diǎn)也造成了較差的層間結(jié)合力，這些特點(diǎn)都導(dǎo)致零件脆性大，沖擊強(qiáng)度低，易變形，承載性能差。

  國際和國內(nèi)通常在零件的設(shè)計(jì)過程中采用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的方式來優(yōu)化力學(xué)性能，亦或是在熱塑性基材中加入顆粒，短切纖維等增強(qiáng)體，終究不能根本上提高熔融沉積工藝所成型構(gòu)件的力學(xué)性能。特別是針對航空航天領(lǐng)域內(nèi)的復(fù)雜構(gòu)件，輕量化和高強(qiáng)度的要求日益嚴(yán)苛，雖然熔融沉積等增材制造工藝可以大幅度的節(jié)省原材料，降低零件制造的難度，但其制品力學(xué)性能較差也是限制其在行業(yè)內(nèi)發(fā)展的主要原因。

  市場上的連續(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題：

  各類纖維在出廠時，其表面活性基團(tuán)均只適應(yīng)于與熱固性樹脂的浸潤過程。在使用簡單的措施將未處理的纖維與熔融熱塑性樹脂共混時，難以使纖維與樹脂充分浸潤，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，對成型過程造成影響，同時，成型軌跡中纖維呈松散、無規(guī)律的分布狀態(tài)，使得構(gòu)件的承載性能受到影響。

  南京航空航天大學(xué)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)。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。

  采用兩級旋轉(zhuǎn)腔體對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)化了打印頭對纖維原有狀態(tài)的適應(yīng)性，在相同的打印速度下，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。

  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，可適用于對性能要求較高的航空航天復(fù)雜構(gòu)件的成型過程。