高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印及其应用探索

纤维增强树脂基复合材料具有优异的力学性能,能够实现轻质、高性能结构的制造,但传统的成型工艺过程复杂、成本高,难以实现纤维回收利用,限制了纤维增强树脂基复合材料的广泛应用.3D打印技术是一种新兴的零件成形工艺,将3D打印技术应用于纤维增强树脂基复合材料的制造,为实现复合材料低成本、绿色制造提供了可能性.综述了纤维增强树脂基复合材料3D打印技术研究的发展现状,提出了一种高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印工艺及其回收再制造策略.     

高性能树脂基复合材料轻质结构3D打印与性能研究

树脂基复合材料轻质结构具有轻质、高性能等优点,广泛应用于航天航空、高速列车和船舶等领域。通过对传统树脂基复合材料轻质结构制造工艺的综述分析,发现传统制造工艺具有过程复杂、周期长和生产成本高等缺陷,限制了树脂基复合材料轻质结构的发展。3D打印是一种先进的零件成形工艺,可实现复杂结构零件的快速制造,为高性能复合材料轻质结构的一体化制造提供了可能。介绍了树脂基复合材料轻质结构3D打印的研究进展,提出了基于连续纤维增强热塑性复合材料3D打印的高性能复合材料轻质结构的一体化制造工艺,并对其性能开展了初步研究。     

高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印

3D打印技术是一种逐层成形的增材制造技术,而纤维增强树脂基复合材料是一种力学性能优异的先进结构材料,结合3D打印的工艺先进性和纤维的材料性能优势,提出新型的纤维增强树脂基复合材料3D打印工艺,为进一步促进两者共同发展与应用提供了可能。综述并分析了纤维增强树脂基复合材料3D打印技术的研究现状与瓶颈,提出了一种连续纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印工艺,将3D打印丝材制备、3D打印预成型体、3D打印预成型体固化分隔成3个独立的模块,并根据不同模块设计搭建了不同的试验平台及设备,成功制备得到了连续纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印构件,还测试得出其(纤维含量为52%)拉伸强度及拉伸模量分别达到1325.14MPa和100.28GPa;弯曲强度及弯曲模量分别为1078.03MPa和80.01GPa;层间剪切强度为58.89MPa。大幅提高了纤维增强树脂基复合材料3D打印成型构件的力学性能。     

增材制造——面向航空航天制造的变革性技术

增材制造技术在航空航天应用方面具有单件小批量的复杂结构快速制造优势,未来将向着设计、材料和成形一体化方向发展。分析了增材制造在航空航天领域应用发展的3个层面,以航空发动机涡轮叶片增材制造、高性能聚醚醚酮（PEEK）及其复合材料、连续纤维增强树脂复合材料及太空3D打印为主题,介绍了增材制造技术国内外以及西安交通大学的研究状况。涡轮叶片应用增材制造工艺可以有效提高效率降低成本,未来向高性能的高温合金和陶瓷基复合材料增材制造技术发展。高性能轻质聚合物PEEK及其复合材料增材制造在高力学性能结构件、吸波功能件的成形中得到应用,将改变现有的设计与材料,推动结构与功能一体化发展。连续纤维复合材料增材制造将带动无模具纤维复合材料成形的新发展,在太空3D打印将改变未来航空航天制造模式。增材制造技术将给航空航天制造技术带来变革性发展。     

可控变形复合材料结构4D打印

4D打印技术是一种采用3D打印工艺方法实现具有对外界刺激响应功能、可变形状或性能的智能结构增材制造技术。综述了4D打印技术的基本工艺方法,如形状记忆材料4D打印、仿生复合材料结构4D打印、外场驱动智能结构4D打印等;分析了现有4D打印技术在变形过程不连续、制备难度较大、难以实现变形过程可控等方面存在的问题;提出了连续纤维增强复合材料的4D打印策略,展示了任意可展曲面结构的设计与4D打印流程;分析了4D打印技术未来在航空航天、生物医疗及软体机器人等领域的潜在应用价值。     

连续纤维增材制造技术或将颠覆 航空复合材料结构生产模式

<正>2019年3月,全球复合材料领域顶级展会JEC组委会将2019年度增材制造(3D打印)创新大奖授予美国连续复合材料公司、空军研究实验室、洛克希德马丁公司团队,以表彰其在连续纤维3D打印技术开发方面的创新成果。连续复合材料公司是连续纤维增强3D打印技术的先驱,2012年获得了全球最早的工艺专利。自美国于2014年推出首台连续纤维3D打印机以来,该技术正在快速发展并在航空领域取得应用。随着技术的逐渐成熟和大规模推广应用,该技术或将颠覆现有复合材料无人机、低成本复合材料航空结构的生产模式。     

石墨烯超材料吸波结构3D打印

石墨烯增强树脂基复合材料密度低,具有优良的电磁波吸收性能,是极具应用前景的雷达隐身吸波材料,传统的石墨烯吸波复合材料制备工艺复杂,难以灵活制备复杂结构。超材料作为一种人工电磁介质,以材料自身电磁特性为基础,通过单胞结构设计,可实现高性能超材料微波吸收结构(MetaMaterial Absorber,MMA)的设计,利用3D打印技术复杂结构零件快速成型的优势,可实现树脂基MMA功能结构一体化制造。综述了石墨烯增强树脂基复合材料、3D打印超材料吸波性能的研究进展,提出一种基于木堆结构的3D打印石墨烯增强聚乳酸复合材料梯度超材料吸波结构,该结构在4.5～40GHz频段内,具有35.5GHz的超宽频带微波吸收性能(反射损耗低于–10dB)。     

连续SiC纤维增强Ti_3Al基复合材料力学性能研究

采用箔—纤维—箔方法制备了连续SiC纤维增强Ti_3Al基复合材料(SiC_f/Ti_3Al),测定了两种SiC纤维增强Ti_3Al基复合材料的力学性能,分析了热处理工艺对复合材料力学性能的影响,讨论了复合材料在不同条件下的断裂机制研究表明,国产SiC纤维(无碳涂层)增强Ti_3Al复合材料的界面结合强度高于有碳涂层纤维增强的复合材料,力学性能却低于SCS-6纤维(有碳涂层)增强的复合材料。当热处理时间延长时,SCS-6/Ti_3Al复合材料界面反应层厚度增加,复合材料的力学性能下降。     

五轴连续纤维3D打印机及其数控系统开发

为了解决传统三轴连续纤维3D打印复杂轨迹精确成型困难的问题,设计搭建了五轴连续纤维3D打印机,该3D打印机具有5个联动轴(XYZBC)以及1个树脂螺杆挤出装置辅助轴.针对典型的3D打印控制方案存在可联动轴数少、可扩展性差、实时性差等问题,对全软件型开放式数控系统进行了研究,并将其应用于连续纤维增材制造领域.基于开源数控...     

玄武岩纤维增强树脂基复合材料力学性能研究

玄武岩纤维作为一种新型的树脂基复合材料用高性能增强纤维,具有较好的性价比,通过对连续玄武岩增强环氧树脂复合材料单向板、织物复合材料层合板、缠绕NOL环、缠绕φ60mm复合材料管的力学性能等研究,可为玄武岩纤维应用于结构复合材料提供设计依据。     

Effects of FDM-3D printing parameters on mechanical properties and microstructure of CF/PEEK and GF/PEEK

Fused deposition modeling (FDM) has unique advantages in the rapid prototyping of thermoplastics which have been developed in diverse fields. However, although great efforts have been made to optimize FDM process, the mechanical properties of printed parts are limited by the weak interlamination bonding as well as the poor performance of raw filaments used, such as acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polylactic acid (PLA). Adding fibers into thermoplastic matrix and preparing high-performance filaments have been indicated to enhance the properties of fabricated parts. Recently, heat-resistant polyetheretherketone (PEEK) and its fiber reinforced composites were proposed for FDM process due to overcoming the limitation of equipment and process. However, few researches have been reported on the effects of FDM-3D printing parameters on the mechanical properties of fiber reinforced PEEK composites. Therefore, 5wt% carbon fiber (CF) and glass fiber (GF) reinforced PEEK composite filaments were prepared respectively in this study. The effects of various printing parameters including nozzle temperature, platform temperature, printing speed and layer thickness on the mechanical properties (including tensile strength, flexural strength and impact strength) were surveyed. To analyze the microstructure and failure reasons of printed CF/PEEK and GF/PEEK samples, the tensile fractured surfaces were investigated via scanning electron microscope (SEM).     

3D打印技术与传统加工技术对比的优缺点

随着计算机技术的飞速发展，3D打印（增材制造/快速成形）技术基于分层制造原理，采用材料逐层累加的方法，直接将数字化模型制造为实体零件，在多个领域具有广泛的应用前景。3D打印技术与传统加工各有千秋，3D打印与数控加工、铸锻造及模具制造等传统加工手段相结合，正在成为新产品快速成形与制造的方法之一。在民机制造领域，3D打印生产的零件，尤其是金属成形件，需要进一步的后处理（如热处理）才能投入生产使用。对于特定金属材料的3D打印成形零件，形状可以优化控制，并且结构静力性能可与铸锻件媲美。但是，由于无损检测能力的限制，3D打印零件内部孔隙度和微裂纹不可预测。对3D成形件的认识程度相比于传统加工还有较大差距，在民机应用中还有较长的路需要走。     

浅议精密惯性产品制造中的增材制造

惯性技术已经成为国防及国民经济建设各行业中运动信息感知测量的核心技术.但是制造环节却成为制约其精度提高、性能改善、效率提高、成本降低的“黑障”,困扰着惯性技术再进步的步伐.刚刚兴起却迅猛发展的三维数字化增材制造(3D打印)技术彻底颠覆了传统制造,从装备到工艺、从材料到设计的理念,对制造业形成了革命性的冲击.以惯性技术产品三维数字化增材制造为目标,详细叙述了三维数字化增材制造的概念,国内外发展现状和其在精密惯性技术产品制造中的可能性、可行性和推动惯性技术产品制造变革的价值;并根据近几年对三维数字化增材制造的一些学习认知、实践感悟,提出了一些三维数字化增材制造在精密惯性技术产品制造中应用的粗浅看法和思路,以求共进.     

激光3D打印铁基块体非晶复合材料

Fe基非晶合金因强度高、硬度高、软磁性能优异等优势,得到人们极大关注。然而,目前实验室和工业领域利用铜模铸造法所能制备的Fe基非晶合金尺寸仍然较小,这严重制约了Fe基非晶合金作为结构材料在工业领域的实际应用。激光3D打印技术的出现为解决上述问题提供了难得的契机。然而,目前国内外的研究中,利用激光3D打印技术制备Fe基非晶合金存在较为严重的裂纹,所以无法利用该技术成型大尺寸的样品。在Fe基非晶合金中引入塑性较好的第二相来吸收热应力,防止在激光3D打印过程中发生开裂,能成功打印出大尺寸的Fe基非晶合金复合材料。通过上述方法成型的大尺寸Fe基非晶合金复合材料,宏观上没有裂纹发生且成型性良好,但微观上仍在局域发现微小裂纹。由于Cu将Fe基非晶合金包裹在中间,所以这些局域的微裂纹没有扩展,也没有贯穿整个材料,打印的Fe基非晶合金复合材料成型性没有受到较大影响。     

树脂基三维机织复合材料结构与力学性能的关系研究

通过拉伸、弯曲、压缩等实验,评价了4种不同结构的三维机织角联锁织物增强的碳/树脂基复合材料结构与力学性能的关系.结果表明:对于纤维体积含量相近的4种不同结构的3D机织复合材料而言,它们之间的拉伸、弯曲、压缩性能差异很大,在2倍左右;衬经纱和衬纬纱可以显著改善力学性能;纤维与树脂之间的界面破坏-脱粘是3D机织复合材料最先发生失效的形式;带衬经衬纬的No.1结构复合材料的综合力学性能最佳.可以推断,改进界面结合力能大大提高3D机织复合材料的力学性能.     

树脂基复合材料孔隙率超声表征技术研究

利用超声衰减的原理,运用超声C-扫描成像技术超声表征评定树脂基复合材料的孔隙大小,进而评定材料的力学性能情况,结合解剖试验建立了树脂基复合材料超声衰减、孔隙率和力学性能的关系曲线,探索了一种超声表征评定树脂基复合材料的孔隙情况及力学性能的方法.     

基于光敏树脂分析的3D打印加速度传感器设计

MEMS加速度传感器所采用的硅微机械加工技术存在个性化定制、小批量生产成本方面的不足，而3D打印技术的优势就在于无需模具的自由化定制、一机多用实现低成本产品生产，3D打印的发展趋势就是实现微纳尺度结构的制造。在此背景下，采用光固化立体成型技术设计了一种3D打印压阻式加速度传感器结构。传感器基底使用耐高温光敏树脂制作，并采用丝网印刷工艺在基底表面印制导电碳浆形成应变计结构。为此，首先对耐高温光敏树脂的相关热学与机械性能进行分析。通过测试，得到该光敏树脂固化后的起始分解温度等热力学参数。其次，通过控制光敏树脂紫外光固化时间，取得了较好杨氏模量和弯曲强度的树脂，且为该加速度传感器的结构仿真优化与制作工艺提供了必需数据与重要依据。除此之外，还对所设计的碳浆应变计结构进行了测试，得到了有效灵敏系数。通过以上工作，为最终实现3D打印加速度传感器的制作做好铺垫，助力3D打印技术与MEMS传感器技术相融合。     

增材制造技术在航空发动机中的应用及发展

随着增材制造技术的不断发展,在航空航天领域的研究与应用越来越广泛。本文主要介绍了增材制造技术在航空发动机中的发展现状以及应用前景,分析了目前增材制造技术的不足。     

Mechanical behavior and properties of fiber reinforced ceramic matrix composites for high temperature use

Ceramics can keep their mechanical characteristics up to 2 000℃ or higher.In this paper,A model to predict ultimate strength of continuous fiber-reinforced brittle matrix composites is developed.A statistical theory for the strength of a uni-axially fiber-reinforced brittle matrix composite is presented.Also a semi-empirical frictional heating method for estimating in-situ interfacial shear in fiber-reinforced ceramic matrix composites was improved.Local uneven fiber packing variation as well as uneven micro-damage during fatigue can be expected to have effects on the composites:generation of frictional heating,thermal gradients,and residual stresses around local fiber breaks.This study examined those engineering interests by the finite element method.