高性能连续纤维增强复合材料3D打印设备及工艺

来源：西安交通大学青岛研究院

项目简介
本项目以连续纤维增强热塑性聚合物基高性能复合材料零件直接 3D 打印为目标，采用连续纤维与热塑性聚合物为原材料，利用复合浸渍-熔融沉积的 3D打印工艺实现高性能复杂结构复合材料构件的低成本一体化快速制造，与现有的复材制造技术，如热压罐成型技术、传递模型（RTM）成型技术、缠绕成型技术、自动铺放技术相比，复合材料 3D 打印工艺的主要优势在于成本低、周期短，能实现复杂结构符合材料构件的快速制造。

技术指标
1. 桌面型连续纤维增强复合材料 3D 打印机
团队自主研发了桌面型连续纤维增强复合材料 3D 打印机，所制备的 Cf/PLA复合材料抗弯强度达到了 390MPa，是传统 PLA 零件（48-53MPa）的 7 倍，性能与铝合金相当，重量减少五分之二。

2. 大尺寸高速高稳定性连续纤维复合材料 3D 打印机
团队自主研发了高速打印喷头系统，采用双喷头打印模式，一个喷头用于纤维干丝的复合打印，另一个喷头用于支撑等辅助材料的打印，同时具有连续纤维的在线剪断-续打处理功能，可实现高性能复合材复杂构件的一体化快速制造，满足工业领域对于大尺寸构件的应用需求，适用于航空航天、汽车交通等领域。

3. 复合材料轻质结构一体化制造技术
连续纤维增强复合材料轻质结构被广泛应用于航空航天、高速列车和船舶等领域，然而传统制造工艺方法对其一体化成型，成型周期长、成本高，限制了复合材料轻质结构的应用。团队提出了基于连续纤维增强复合材料轻质结构的一体化制造工艺，所制备的连续芳纶纤维增强 PLA 复合材料轻质结构，再纤维含量达到 11％时，抗压性能达到 17MPa，优于传统制造方式的波纹轻质结构。

4. 高效电磁屏蔽复合材料可控制造技术
随着电磁污染日益加重，高性能电磁屏蔽复合材料越来越受到关注，利用连续纤维增强复合材料 3D 打印工艺可实现电磁屏蔽材料的可控制造，所制备材料的电磁屏蔽效能、弯曲强度、拉伸强度分别达到 75.6dB、105MPa和 125MPa，且屏蔽效能在 8-75.6dB 内可调，其良好的电磁屏蔽性能、机械性能、加工性能以及较低的加工成本使其在航空系统和卫星天线领域展现出良好的应用前景。

5. 短切碳纤维增强复合材料构件选区激光烧结成形
选区激光烧结以 CO2激光器作为热源，以增强纤维与聚合物的复合粉末作为原材料来完成纤维增强工程塑料复合材料的 3D 打印。目前，采用选区激光烧结技术，可完成碳纤维增强尼龙复合材料以及碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的制备，与纯树脂的制件相比，复合材料具有更高的机械强度、耐热温度、制件精度等。适合于航空航天、汽车和消费品等行业需要优化形状、重量的部件及受力结构件的终端制造，中小批量的快速制造，对于复杂结构功能零件的制造尤为适合。

市场前景及应用
该技术属于国内首创，获得多项自主知识产权，受到国内外越来越多机构的关注，在国内，本项目得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、载人航天等项目的支持，开展关于工艺机理与装备等方面的研究，探索该工艺在航空航天领域的应用前景，在国外，分别与德国、俄罗斯等研究单位合作对该工艺的材料以及结构设计开展研究，研究水平国内外领先。

在当今全球 3D 打印领域快速发展的形势下，复合材料 3D 打印具有巨大的发展前景，据 SmarTech 预测，至 2026 年全球用于 3D 打印的复合材料收入将超过5 亿美元，未来十年内复合材料将成为 3D 打印最主要的市场机遇，目前该项技术已经开发出了成熟的工业设备，形成了成熟的装备-材料-工艺体系，具备了商业化应用的条件，已经初步在复合材料轻质结构等方面得到应用，随着该技术的成熟，将来必将在航空航天、汽车交通甚至民用领域得到广泛的应用。

项目专家
【田小永】（机械学院）

【研究领域】
1）功能、结构一体化创新设计与3D打印，如超材料新型微波器件、结构电子等；

2）多材料、复合材料3D打印（增材制造）技术及其应用研究。