3D 打印技术在复合材料中的应用与发展

党 乐，张梦雨，成艳娜，闫 超*

（1．海装西安局，西安 710054；2.中航西安飞机工业集团股份有限公司，西安 710089）

随着对飞机减重和性能要求的提高，复合材料在航空飞行器中的应用越来越多，对复合材料成型技术也有了更多要求。传统的热压罐成型技术在工业生产中应用最广，已被大量应用于飞机的机身、机翼等结构部位。但热压罐成型技术仍具有一些无法解决的问题：①设备投资高，如热压罐、冷库、清洁间等；②工装设计制造和研制周期长；③仍存在产品变形、内部质量、表面质量等问题；④工装、材料、人工、质量成本高。

3D 打印技术作为一种增材制造技术，与传统的减材技术不同，通过输入3D 数字模型—离散为二维片层—材料连续叠层及固化的方式，成型复合材料。3D打印技术具有以下优点：①采用一体化成型技术，无需装配，在形状复杂的异形件制造中具有很大优势；②结构强度好，结构设计性强；③成本低、效率高，成型时不需制造特定模具，且自动化程度高。

在对复合材料需求越来越多，对产品性能、成本控制、生产周期要求越来越高的今天，3D 打印技术能够很好地满足航空制造业的生产需求。因此，研究3D 打印技术在航空产业的应用具有重要意义。

1 分类和基本工艺模型

1.1 3D 打印分类

3D 打印技术可根据其工作原理分为不同的类别，其中适用于航空复合材料制造的技术主要有定向能量沉积（DED）、选择性激光烧结（SLS）、材料挤出（ME）、立体光刻（SLA）、分层实体制造（LOM）、熔融沉积成型（FDM）[1]。其适用原材料、原理和特点见表1。

表1 3D 打印分类及其原理

1.2 基本工艺流程

最常用的熔融沉积技术（FDM）和液体树脂光固化成型技术（SLA），常见的成型工艺一般要经过前处理、分层叠加成型和后处理三个阶段。先对待成型件进行建模，并对模型进行切分，再以积分的形式将切片堆积，从而形成所需制件，如图1 所示[2]。

图1 3D 打印过程示意图

2 最新研究

2.1 原材料

在飞机零件制造中，金属材料3D 打印在工业领域用途广泛，特别是钛合金材料。非金属材料的3D 打印也在逐步发展，如高分子聚合物、聚乳酸等。材料特性直接决定成型产品的强度、刚度等力学性能[3]。一般3D 打印技术的打印材料为PLA、PEEK 和ABS 等热塑性非金属材料。复合材料3D 打印技术的纤维主要以短纤维材料为主，基体以热塑性材料为主，设备和材料实现了商业化。热固性树脂也实现了短切纤维增强复合材料的3D 打印。

哈佛大学通过对环氧树脂的改性，首次实现了热固性树脂的3D 打印。通过添加纳米粘土、二甲基磷酸酯、碳化硅晶须和短切碳纤维，以咪唑基离子做固化剂，拓大了树脂打印窗口；通过控制纤维尺寸和喷嘴半径，使纤维在剪切力和挤出流的作用下发生取向；先在较低的温度下预固化，然后从基板上移出再进一步高温固化，从而提高产品性能，如图2 所示。

图2 热固性树脂的3D 打印

北京化工大学薛平教授研究了3D 打印短切玻璃纤维增强聚乳酸复合材料。探究了玻璃纤维含量、偶联剂含量、相容剂含量对聚乳酸复合材料性能的影响。结果表明，玻璃纤维含量在25%时，其力学性能最好，如图3 所示。

图3 玻璃纤维含量与复合材料性能的关系

2.2 设备

美国Mark Forged 公司研发了名为Mark One 的连续纤维增强热塑性复合材料3D 打印设备，打印出了碳纤维增强尼龙复合材料。2 个喷头轮流工作，实现纤维和树脂的复合，喷头1 负责输送树脂，喷头2 负责输送预浸纤维丝。如图4 所示。

图4 3D 打印设备Mark One

但该设备的纤维取向一定，仅能实现X/Y方向纤维取向。且可打印尺寸较小，产品尺寸仅有0.6 m×0.4 m×0.3 m，因此，还需进一步改进。

西安交通大学明越科研究了连续纤维增强热固性树脂基复合材料3D 打印工艺，将常温下为固态的环氧树脂、热固化剂双氰胺、3K 碳纤维制备成3D 打印丝材，将丝材加热至130 ℃，经二次预浸后挤出冷却，形成3D 打印预成型体，将3D 打印预成型体完全埋入氯化钠中，抽真空填充内部空隙，烘箱固化成制件，如图5 所示[4]。

图5 3D 打印设备、工艺、固化过程

该研究首次将连续纤维作为热固性树脂的增强体进行3D 打印，为3D 打印热固性树脂在航空产业中的应用提供了新思路。但该研究仍处于实验室级别，成型设备简陋，工艺稳定性差，成型零件尺寸较小，难以进行工业化应用。

3D 打印设备的喷嘴也会影响成型的完成度和成型质量FDM 熔融沉积式的打印设备，耗材直径固定为1.75 mm，一般喷嘴流道直径为0.4 mm 以上。喷嘴直径设置为1 mm 时力学性能最大，0.4 mm 时堵塞现象特别严重，熔体无法流畅挤出，打印线条之间出现缝隙，无法形成密实的样条[5]。

2.3 加工参数

影响3D 打印效果的加工参数主要包括打印温度、打印速度和打印路径。

打印温度是指在打印时设定打印喷嘴的温度，温度会影响高分子材料在流体状态下的流变性能、粘弹性，调节打印温度可以控制打印过程塑化和其在熔融状态下的打印效果，可能会影响其固化及尺寸收缩情况[6]。

原材料从3D 打印喷嘴中以一定速度挤出并粘附在3D 打印平台上，快速冷却，组合成制品。3D 打印速度太低或太高均使可成型表面形成缺陷，影响质量。

3D 打印路径是指3D 打印喷嘴的路径。通过设置软件参数来设定3D 打印的路径，即喷嘴挤出熔体的方向。由于熔体路径决定复合材料中纤维的路径，控制纤维取向，因此3D 打印路径对复合材料力学强度有重要作用。采用了回形路径、0°路径、±45°路径、±90°路径。也可以通过设计铺层，不同铺层制件角度交替打印成型。

3 应用

2013 年，EADS 公司采用3D 打印技术，用热塑性材料制造出了微型无人机原型。英国南安普顿大学打印出了世界上第1 架“3D 打印”飞机——小型无人驾驶飞机“SULSA”，且已试飞成功，其原材料为增强型ABS 塑料，翼展2 m，同时配备有用于巡航的微型自动驾驶系统[7]。

3D 打印公司stratasys 联合航空公司Aurora Flight Sciences 在迪拜航空展上发布了世界首架3D 打印的喷气动力无人飞机，机身由尼龙3D 打印而成，打印仅历时9 d[8]。

4 发展趋势

我国虽然对3D 打印有所研究，但工艺成熟度仍有所不足，特别是在航空制造领域，在成型材料、成型工艺、成型设备方面均具有一定发展空间。常用航空制造热固性材料成型具有不可逆性，无法像热塑性材料采用挤出工艺制造原材料后打印，也无法像金属材料一样采用粉末打印，因此需要开发适宜3D 打印的材料，此类材料需具备一定黏度和流动性，且操作时间相对较长、成型时间相对较短[9]。热固性树脂基复合材料需要加温加压以增加制件的密实度，可以在打印设备内部将坯体进行预压实和加热，确保材料在打印过程中也具备较强的致密性，并在打印完成之后进行最终固化处理。与传统工艺相比，3D 打印技术受产品设备尺寸和材料范围限制，不同材料打印出来的产品性能、尺寸精度和表面质量等相差较大，因此需将3D 打印与精确铣切技术相结合，制造尺寸精度合格的产品。