东纶科技单忠德等：纤维增强树脂基复合材料增材制造技术与装备研究

  纤维增强树脂基复合材料由短切的或连续的纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体,采用一定的成形工艺复合而成,已广泛应用于航空航天、汽车制造等领域,具有高比强度和比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、便于大面积整体成形以及特殊电磁性能等特点。树脂基复合材料种类众多,它通过基体和纤维间界面的应力传递,为成形件提供更高的硬度、强度和热稳定性等力学性能。纤维增强复合材料在航空航天领域的大量应用不但减轻了结构重量,而且通过结构和功能的一体化设计可提高装备的性能和质量。

  增材制造技术是一种材料逐层累加的“自下而上”的自动化、数字化成形制造技术,具有材料利用率高、结构设计与制造一体化、无需模具等优点,可以实现材料制备与构件成形制造一体化,为单件小批量复杂零件和模具的快速制造提供了数字化解决方案。纤维增强树脂基复合材料增材制造技术是当前国内外研究的热点之一。为解决传统纤维增强复合材料成形中存在的问题以及满足航空航天、汽车、轨道交通等领域发展的急需,国内外开展了高性能的连续纤维增强树脂基复合材料工艺及装备研究,以更好地满足复杂零件结构的轻量化、精确成形、短周期和高质量制造需求。

  纤维增强复合材料增材制造技术发展了不同的工艺方法,主要包括三维打印黏结成形、熔融沉积成形等,复合材料增强体包含短纤维、纳米纤维、长纤维、连续纤维等.不同方法在成形复合材料中具有自身的优点和局限性,成形件的力学性能也不同。针对不同的产品及其性能要求,根据成形材料、成形速度和成形精度等要求选择合适的增材制造方法,以制造出满足性能要求的复合材料结构件。

  为解决纤维浸渍效果差的问题,实现高性能连续纤维复合材料增材制造,机械科学研究总院开展了复合材料丝材成形材料、成形工艺及复合材料丝材成形设备研究,开展了连续纤维增强复合材料的增材制造成形工艺及装备研究,开发出了连续纤维增强复合材料增材制造成形机,并对成形工艺参数进行了优化研究。

  在连续纤维丝材成形过程中,熔融的热塑性树脂从螺杆推进面开始,向拖曳面逐步蔓延,直至流道内熔体分数达到稳定最大值,进而可保证机头(纤维和树脂混合浸渍位置)处熔体压力和流速的稳定。图１所示为螺杆转速和牵引速度对成形复合丝材直径和纤维含量的影响关系,复合丝材直径随着螺杆转速的增大而增大,且增大的趋势逐渐趋于平缓,直径随着牵引速度的增大而减小;与之对应,当成形丝材的直径减小(即纤维束表面包裹的树脂量减少)时,纤维含量增加.工艺优化后,螺杆转速区间为5~25 r/min,牵引速度区间为10~50 mm/s,可通过调整参数来实现丝材型号和纤维含量的精确可控成形。

  在复合材料丝材成形过程中,随工艺参数的改变,纤维和树脂的浸渍压力和浸渍时间等关键参数随之变化。模具的结构尺寸不变,当纤维在树脂内部停留的时间缩短或浸渍压力较小时,由于树脂的黏度高,使得树脂渗透进入纤维束的过程较为缓慢,故纤维中的空隙来不及被树脂置换,图２所示为不同浸渍程度的连续纤维复合材料丝材。

  热塑性树脂熔融温度高、黏度大,对连续纤维材料的浸润性差,从而导致纤维和树脂浸渍程度低,界面结合性能差。为提高连续纤维复合材料制件的力学性能,使外载荷通过基体传递到增强体纤维,本文研究了增材制造过程中温度、压力、速度等参数对复合材料构件成形性能的影响规律。不同的界面结合性能将导致不同的断裂方式,且裂纹的增长也将影响复合材料的机械性能,图３所示为拉伸测试过程中界面结合性能对断裂模式的影响关系。当树脂对纤维的浸渍程度高时,拉伸过程中纤维和树脂的脱粘现象不明显,测试件可吸收断裂能并防止裂纹扩展,从而具有优异的力学性能。当浸渍程度低且界面结合性能较弱时,拉伸过程中大量纤维被拔出,无法起到承载和增强作用,这使得裂纹迅速扩展并导致材料断裂。

  成形喷嘴的温度是增材制造的关键参数之一,对纤维和基体的融合浸渍有重要影响,进而影响成形件的道与道之间和相邻两层之间的结合性能。如图４所示,成形件的拉伸强度和弯曲强度随温度从180℃升高至220℃而不断增大,拉伸强度从188 MPa 增大至225 MPa,提高了约20％,弯曲强度从274 MPa增大至296 MPa,提高了约8％。图５所示为不同成形工艺下的纤维浸渍程度,高浸渍程度的成形件具有更优异的力学性能。当成形温度升高时,熔体黏度减小,流动性增强,提高了纤维与树脂间的浸渍程度,决定层间结合质量的烧结颈尺寸增大,从而提高了样件抵抗拉伸破坏的能力。当喷头温度为180℃时,树脂和纤维束沉积层间存在较多孔隙缺陷,受到拉应力后裂纹在层间迅速扩展产生断裂,如图６所示,大量纤维被拔出。

  通过调整挤出喷嘴和基板间的温度可以影响成形件内部的结合强度,使成形路径的温度在相对长的时间内保持在玻璃化转变温度之上。在适当的温度条件下,树脂材料容易跨层间界面发生分子间扩散(通常称为愈合),从而提高成形件的层间性能。此外,层厚、成形速度对成形件的浸渍程度与力学性能有影响。随着层厚的增大,成形件的力学性能略有下降,这是因为较薄的层厚有助于重叠,从而可通过挤压作用减小成形件内的空隙.成形速度的改变直接影响成形区域的温度分布梯度,过高的成形速度不利于树脂和纤维的浸渍黏结,从而导致成形性能较差;而随着成形速度的减小,成形件易坍塌、成形效率低、精度差,成形速度经优化后设定在100~300 mm/min 区间内。

  主要开展了纤维树脂熔融浸渍、表面预热处理、层间热力耦合紧实、丝材张力精确控制及功能集成的复合打印喷头装置的研制。创建面向复杂结构的多自由度打印路径算法,开发专用模块化数据处理系统。采用多轴联动控制系统控制设备的运动及信号的输出/采集,包括工控机、多轴运动控制卡、CAN 总线控制网关、伺服电机及驱动器、压力传感器等,实现X/Y/Z 轴运动控制、纱线张紧装置、张力控制装置、温度检测反馈等控制,完成断纱检测、气压故障、电路状态等信号的采集。机械科学研究总院研制出了300 mm、500mm 成形尺寸的纤维复合材料增材制造3D 打印机,开发出了成形长度可达2.5 m 的大尺寸复杂结构连续纤维复合材料成形设备样机。

  增材制造技术已经成为国内外研究的热点,纤维增强树脂基复合材料增材制造也已成为当前重点关注的研究热点方向之一.特别是伴随纤维增强树脂基复合材料领域广泛应用的需求,更加需要不断研发新方法、新工艺与新装备.在短纤维增强复合材料方面,经过机理和工艺的不断研究,已经实现其增材制造,成形件的力学性能得到了不断提高.但是,受限于树脂基体的黏度,低玻璃化转变温度和较低的力学性能,仍需不断开展研究以更好满足航空航天、汽车电子等工业应用多样性要求。

  高性能的连续纤维增强复合材料增材制造是未来发展的重要方向,需通过开展相关研究,解决成形过程中孔隙多、界面结合性能差等问题,以大幅度提高纤维增强复合材料成形件的力学性能.突破大型、变曲率变截面多材料结构复合材料构件的增材制造成形技术,包括多材料性能匹配、界面结合及制造工艺的相关研究。揭示增材制造成形过程中多工艺多参数耦合、成形件翘曲变形机理,研发大型、超大型复合材料构件的增材制造成形装备,不断提高复合材料构件性能,更好应用到航空航天、轨道交通、汽车船舶等行业,助力高端装备创新发展。

  单忠德,男,1970年生,工学博士，中国工程院院士，机械科学研究总院集团有限公司先进成形技术与装备国家重点实验室研究员、博士研究生导师。研究方向为数字化机械装备与先进成形技术。返回搜狐，查看更多

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