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。     

连续纤维增强复合材料3D打印技术现状及展望

纤维增强复合材料因其轻量化、高强度和高设计自由度等优点一直备受航空、航天和汽车等领域的青睐。3D打印是实现连续纤维增强复合材料快速化、个性化和复杂化结构制备以及突破传统制造方法限制的有效途径之一。本文综述了连续纤维复合材料3D打印技术的基本原理、方法分类和研究进展,从成型的材料、工艺、性能和机理等方面进行综述,并对混杂连续纤维增强复材3D打印、多自由度3D打印及其路径规划提出了展望。     

3D打印用硅基陶瓷前驱体研究进展北大核心CSCD

聚合物前驱体转化法可使用聚合物的成型加工工艺实现陶瓷材料的加工制备,在高性能陶瓷和复合材料制备方面显示出独特的优势。3D打印技术在陶瓷前驱体成型中的应用为制备复杂结构陶瓷制件提供了全新的可能。本文从3D打印硅基陶瓷前驱体树脂体系、打印技术及其应用等方面,系统总结了近年来3D打印制备SiCO、SiCN、SiC及含B、Zr等元素硅基陶瓷材料前驱体的研究进展,并进一步指出了3D打印陶瓷前驱体面临的挑战与研究方向。     

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。     

先进复合材料构件成型模具和工装技术发展趋势

在分析先进复合材料构件成型过程和工艺特性的基础上,分别从满足先进复合材料构件成型压力、温度和真空度以及构件质量和工艺可行性等方面,综述了膨胀橡胶、殷钢、碳泡沫、碳毡、形状记忆高分子和水溶性材料等模具和工装的特点和应用状况.     

固化工艺参数对聚酰亚胺复合材料性能影响

采用热压罐成型工艺制备了MT300/902聚酰亚胺复合材料,测试了加压温度、加压大小和固化温度下复合材料的力学性能,分析了不同固化工艺参数对复合材料力学性能的影响规律。结果表明:MT300/902聚酰亚胺复合材料固化时的最佳加压时机为240～260℃、加压不小于1.2 MPa、固化温度在310～330℃为最佳。按照最优的成型工艺参数制备的复合材料构件质量高,缺陷能够控制在2%以下,力学性能进一步提高。     

DLP光固化3D打印关键技术研究

针对复杂构件制造快速原型开发需求,开展了基于数字光投影固化快速成形技术的3D打印关键技术研究,以涡轮盘的打印过程为主线,研究了DLP光固化3D打印的前处理技术、成形工艺参数设计、后处理技术,并对打印成品进行了测量分析。研究结果可为后续进行DLP光固化3D打印工程样件的快速制造提供理论基础。     

空间3D打印技术现状与前景

空间制造能力对太空探索具有重要意义,空间3D打印是实现空间制造的一项关键技术。阐述了空间制造的起源以及空间3D打印的技术现状,围绕着3D打印材料、工艺及空间环境适用性等问题,分别讨论了面向空间舱内环境、在轨原位环境、星球基地环境下空间3D打印技术的研究进展,提出了面向空间应用的高性能复合材料3D打印、多自由度3D打印等工艺方法,以应对空间环境的多重需求。分析并指出了实现空间3D打印技术面临着空间极端温差环境、能源利用、材料来源与性能等技术挑战;围绕我国空间站建设与月球探索工程,讨论了我国空间3D打印技术的发展前景与可能的实施途径。     

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)。     

3D打印连续纤维增强复合材料研究现状综述

纤维增强复合材料因其优异的力学性能已被广泛应用于各工业领域,但由于传统制造工艺的限制,复合材料依然无法应用于一些具有复杂构型的结构。近年来,3D打印技术的快速发展有望实现复杂几何形状复合材料结构的有效制造,从而进一步拓展复合材料的应用范围。连续纤维增强复合材料3D打印技术的成熟应用对于中国高端装备的制造具有重要意义。从力学性能角度出发,对3D打印连续纤维增强复合材料的研究现状进行综述分析,重点分析了打印温度、打印层厚度、增强纤维类型、材料堆叠方式、纤维体积含量、打印扫描间距等工艺参数对复合材料力学性能的影响机制;讨论了3D打印复合材料在典型载荷下的力学性能及损伤演化规律,明确了影响/制约其力学性能的主要原因;介绍了3D打印复合材料的强度/刚度分析预测方法,并对研究发展趋势进行了总结和展望。     

3D打印材料应用和研究现状

综述了3D打印领域内六种典型3D打印工艺各自所用的3D打印材料,从物理形态上主要包含液态光敏树脂材料、薄材(纸张、塑料膜)、低熔点丝材和粉末材料四种;从成分上则几乎涵盖了目前生产生活中的各类材料包括塑料、树脂、蜡等高分子材料,金属和合金材料,陶瓷材料等.立体光刻(Stereo Lithigraphy Apparatus,SLA)工艺的材料为感光性的液态树脂,即光敏树脂;叠层实体制造(Laminated Object Manufacturing,LOM)工艺的材料为纸张、塑料膜等薄材;熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)工艺的材料主要为便于熔融的低熔点丝状材料,主要为蜡丝、聚烯烃树脂丝、聚酰胺丝、ABS塑料丝等高分子材料;选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)的材料是各类粉末,包括尼龙粉、覆裹尼龙的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、蜡粉、金属粉(打印后常须进行再烧结及渗铜处理)、覆蜡陶瓷粉、覆蜡金属粉以及覆裹热凝树脂细沙等;选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)工艺使用与SLS一样的粉末材料,不仅具有SLS优点,而且成型件致密度更高,力学性能更好;三维打印与胶粘(Three Dimensional Printing and Gluing,3DP)工艺的材料同样为粉末材料,但这些粉末是通过喷头喷涂黏结剂被黏结在一起,同时将零件的截面“印刷”在材料粉末上面,类似于纸张彩色打印,可通过设置三原色黏结剂及喷头系统,实现彩色立体打印.对3D打印材料质量和产量的发展方向也进行了分析和展望.     

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。     

基于全三维模型的复合材料构件成型工艺设计系统研究

分析了复合材料构件数字化设计制造技术的发展状况,阐述了基于全三维模型的工艺设计系统的研究现状.针对复材构件成型工艺设计特点,研究了基于全三维模型的复材构件成型工艺设计系统构建技术,阐述了系统的主要功能和实现方法.在CATIA环境下开发了基于全三维模型的复材构件成型工艺设计系统,并通过多个构件的工艺设计对系统功能进行了验证.     

固体火箭发动机壳体复合裙RTM成型技术

树脂传递模塑工艺(RTM)可实现复合材料承力构件高表面质量净尺寸成型。以A配方为树脂基体、3K缎纹碳布为增强材料,采用RTM工艺制备了固体火箭发动机壳体复合裙。分析了A配方的RTM工艺特性及树脂浇铸体性能,介绍了复合裙注射模具和注射设备,讨论了RTM工艺参数及复合裙材料性能。结果表明:RTM复合裙纤维体积分数达54. 5%,联合载荷(轴压+弯矩)条件下轴压达748 kN,弯矩达94 N·m;纯轴压载荷达1 062 kN,纯弯矩载荷达143. 1 N·m,壳体复合裙整体强度高,满足设计和使用要求。     

4D打印的研究进展及应用展望

4D打印技术为基于3D打印技术和智能材料的一种新兴的制造技术,是3D打印结构在形状、性质和功能方面的有针对性的演变。4D打印技术能够实现材料的自组装、多功能和自我修复,是一种具有可预测功能的材料制备技术。4D打印技术可以实现材料特定性质的改变,从而使其满足各个领域中的应用需求。本文按照时间顺序对4D打印技术的研究进行了综述,总结了在这一技术在材料科学、制造产业、生物工程及医学等领域中的突出成果以及创新性技术。结合4D打印技术的概念及研究现状,对其在各个领域中的应用进行了展望。     

基于光固化的羟基磷灰石3D打印工艺研究

陶瓷材料因其强度高、密度低、耐高温及耐腐蚀等特点在航空航天领域具有广阔的应用前景。针对传统成型方式的局限性,对羟基磷灰石陶瓷材料的光固化3D打印工艺进行了研究。使用微米级羟基磷灰石粉末和光敏树脂,配制出可供3D打印的羟基磷灰石陶瓷浆料,成型出羟基磷灰石陶瓷坯体。根据TG–DSC热分析法,确定了陶瓷坯体的脱脂工艺参数,烧结出羟基磷灰石陶瓷样件。使用SEM扫面电镜观察样件表面形貌,通过X射线衍射分析物相组成,并通过阿基米德排水法测得其致密度,使用万能材料试验仪测量样件的抗弯强度。试验结果证明,利用光固化3D打印技术可以成型出致密度为94.9%,抗弯强度约为41.3MPa的羟基磷灰石陶瓷样件。     

4D打印形状记忆合金研究进展与展望

4D打印主要是指将3D打印技术与智能材料结合制备智能构件的技术。智能构件可以在外界环境刺激下发生形状和性能的变化。形状记忆合金作为一种在外界刺激下可以发生马氏体和奥氏体互相转变而引起形状变化的智能材料,是金属4D打印的主要材料。4D打印形状记忆合金不仅可解决传统加工技术引起的晶粒粗大、杂质含量高、表面质量粗糙等问题,还可实现复杂结构的整体化制造,可加大促进形状记忆合金的应用与发展。综述4D打印NiTi基、Cu基、Fe基和Ni-MnGa基形状记忆合金的成形工艺、微观组织与性能研究进展,对4D打印形状记忆合金的发展进行展望,为4D打印形状记忆合金的研究与应用提供有益参考。     

CFRP/钛合金叠层构件低温钻削的轴向力与成孔质量研究

CFRP和钛合金叠层构件以其优异的性能广泛应用于航空、航天、汽车等领域。二者由于材料加工特性的差异,需要采用不同的钻削工艺参数才能获得满意的加工质量。为保证孔同轴度和加工效率,通常采用同一参数一体钻孔。一体钻孔会导致孔的界面烧伤、复材表面划伤、孔径一致性差等问题。为解决上述问题,提出一种低温钻孔工艺,通过钻削试验,研究低温条件下CFRP/钛合金叠层构件钻孔的轴向力、孔径一致性和表面质量。试验表明,低温条件下CFRP/钛合金叠层构件钻孔的轴向力增加,孔径一致性和表面质量均得到改善,证明了低温下CFRP/钛合金叠层构件一体钻孔的可行性。     

碳/碳复合摩擦材料制备新工艺研究

研究了用新工艺快速定向流动法化学气相沉积碳 /碳复合摩擦材料的制备工艺。对总体方案进行了分析 ,确定了最优工艺参数 ,所得制品具有良好的摩擦磨损性能。并探索了沉积温度、炉压、气体流量等工艺参数及石墨化处理工艺对制备工艺和材料性能的影响     

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...