高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印及其应用探索

李林波

摘 要：高性能纤维增强树脂基复合材料是以有机聚合物为基体的复合型材料，其力学特点为强度大、高性能，非常适合在成型工艺中使用。然而由于高性能纤维增强树脂基复合材料成本高、回收难，导致其在材料成型领域无法得到高效应用。3D打印也是快速成型技术的一种，将3D打印技术用于高性能纤维增强树脂基复合材料的制造，为复合材料的低成本、绿色制造创造了可能性。

关键词：高性能纤维增强树脂基复合材料；高性能；应用；3D打印

前言：

高性能纤维增强树脂基复合材料由于质量轻、耐热性强、硬度大等特点而被广泛应用于飞机制造领域，目前大部分飞机的机身、机翼等部位的建造原材料中都有高性能纤维增强树脂基复合材料的影子，其为飞机减重以及飞机飞行综合能力的提升做出了巨大的贡献。传统的高性能纤维增强树脂基复合材料成型工艺主要分为两个步骤：第一步是准备纤维预浸料，第二步则是运用液压等方法将准备好的纤维预浸料进行成型加工。由于工艺步骤繁多，导致整个加工过程耗时长且效率低。另一方面，对于剩余的高性能纤维增强树脂基复合材料的处理办法通常是物理粉碎或是化学降解，但其残留物极易对环境造成污染。因此，研发面向高性能纤维增强树脂基复合材料的成型工艺技术势在必行。3D打印技术的出现高效解决了这一难题，3D打印技术不同于其他的材料成型工艺，其操作过程简单且成本低廉，非常适合高性能纤维增强树脂基复合材料的成型需求。本文即对高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印工艺进行概述并对其应用现状加以分析。

1、高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印工艺现状

1.1 纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印

纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印大致可分为LOM、SL以及3DP三种工艺技术手段。LOM即为分层实体制造工艺，其主要的工艺流程是将预先准备好的预浸带放至打印工作台，激光将预浸带的每个三维横断面按照模型参数进行切割，再反复进行叠加固化过程直至材料成型。国外学者已经利用LOM工艺实现了对玻璃纤维的3D加工成型，且零件的抗压程度效果非常理想。

SL即立体光固化工艺，其主要工艺流程不同于LOM技术，在将预浸带放至打印工作台等待激光切割前需在零件内部放入一层连续纤维编织布。这样在材料发生聚合反应形成固化的过程中，即可实现连续纤维布与树脂基体的融合。目前该工艺技术手段在国外使用范围较为广泛，在国内则应用较少。

3DP即为三维打印工艺，是最基本的快速打印技术。其基本加工步骤是将粉末型化学材料逐层黏合固化，形成三维物体形状。美国哈佛大学实验室早年研制出了3D打印的“墨水”，即一种短切碳纤维增强树脂基，可实现66MPa的拉伸强度。此外，研究人员还在该工艺上进行技术创新，控制墨水流向制造出取向纤维。

1.2纤维增强热塑性树脂基复合材料3D打印

现阶段被广泛应用的纤维增强热塑性树脂基复合材料3D打印工艺技术手段大致可分为SLS、FDM两种。其中SLS选区激光烧结工艺是利用激光对工作台上的化学原料按照设置路径进行逐层烧结，经过层层固化后完成材料成型的过程。通常情况下，增强相的选择以短纤维为宜，短纤维可与热塑性树脂基材料快速融合成复合材料，再经过激光烧结完成成型工艺。目前，许多发达国家已经将此技术广泛应用于商业用途，例如德国的EOS公司就已成功将碳纤维与热塑性树脂基材料融合，形成的复合材料经过SLS激光烧结后快速成型为制造用加工零件。

FDM即熔融沉淀成型工艺，是利用机器的打印头将热塑性树脂基复合材料加熱融合，再按照既定路径将其轮廓堆积起来，单层轮廓经过层层堆积后即可实现材料的快速成型。目前国内外学者已经利用FDM技术创造出许多科研成果，如美国一汽车制造商于2014年用3D技术打印出的汽车模型中超过80%的ABS树脂材料是通过FDM技术加工制造而成。我国许多高等学府如北京航空航天大学等也早已成功完成了材料优化课题。

2、应用现状分析

高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印技术为复合材料的低成本快速制造提供了技术支持，在航空航天以及新能源汽车等领域有着良好的发展前景。但经调查显示，虽然3D打印技术已实现复杂性复合材料的融合成型，却还仅停留在实验室阶段，未进行商业化推广。一方面原因是3D打印技术起源于上世纪90年代，发展时间较短，技术是否成熟尚未可知，另一方面则是原材料的局限性导致该技术不能用于零件量产。因此，想要将高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印技术广泛应用于日常生活，还需要不断进行科研探索。

3、结束语

综上所述，高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印技术可克服复合材料制造过程中成本高、回收难的问题，实现复合材料低成本的绿色制造，可被广泛应用于航空航天及新能源汽车领域，有着广阔的发展前景。然而，由于原材料及技术水平限制，目前对高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印技术的应用还仅停留在实验室阶段，没有实现商业化量产。因此，想要将高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印技术普及到日常的生产制造环节中还需优化材料性能并提高技术手段。

参考文献：

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