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3D打印技術在航天復合材料制造中的應用

2020-08-21

3D打印中最廣泛使用的碳纖維形式是短切碳纖維絲。有多種短切碳纖維混合物可供選擇,其中包括高溫熱塑性塑料作為基質材料。例如填充有短切碳纖維的PA,PEKK,PEEK和PEI(ULTEM)細絲。

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在短切碳纖維長絲中,碳纖維段與熱塑性粒料混合,然后擠出成適合擠出3D打印的長絲。因為碳纖維是斷裂的,而不是連續的,因此它只能在那些很小的碎片所在的位置提供碳纖維的剛度。

然而,將碳纖維引入熱塑性長絲中可以改善其強度和剛度,但是也可能具有負面影響。一組研究人員發現,除了所需的強度外,PEEK-碳纖維復合材料的孔隙率更高,印刷層之間的粘合性更差。另一組發現用于立體光刻的樹脂短切碳纖維具有相似的結果,包括增加了脆性。

這并不意味著切碎的碳纖維長絲(或樹脂)在3D打印中沒有價值,特別是因為相比之下它要便宜得多。

高性能連續纖維增強熱塑性復合材料3D打印技術是以連續纖維增強熱塑性高分子材料,實現高性能復合材料零件直接3D打印,采用連續纖維與熱塑性高分子材料為原材料,利用同步復合浸漬-熔融沉積的3D打印工藝實現復合材料制備與成形的一體化制造。復合材料3D打印工藝的主要優勢在于成本低,周期短,能實現復雜結構復合材料構建的快速制造。

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在航空航天領域,工程師尋求的纖維體積比率最高為60%左右。但是,使用其他碳纖維3D打印技術時,該比率接近30%至40%。沒有晶格結構,CFC可以達到約45%,在碳纖維重疊的點上,該比率增加了一倍,即比傳統復合材料更強。

由于在單一方向上的熱塑性沉積最少 該零件的材料更少但強度更高

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在編織碳纖維中,多層單向纖維交錯交錯以模擬各向同性,最終以犧牲多余材料為代價提供全向強度。但是,使用CFC時,僅在必要時可以增加材料和強度。首先將碳纖維熱塑性塑料帶加熱到高于塑料的熔融溫度。然后,輥將膠帶壓在打印的部分上。熱量,壓力以及冷卻后的印刷零件的結合使膠帶可以使零件熔融。


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