我国首创连续纤维增强热塑性复合材料3D打印机即将上市

继上周推出的PEEK材料耐高温3D打印机之后，陕西恒通3D打印设备又添一员猛将---高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印机。此款设备是由机械制造系统工程国家重点实验室3D打印研究团队与陕西恒通研发团队共同研发，为全国首创。

碳纤维复合材料在航天、军工、电子等诸多领域都有着很广泛的应用，碳纤维复合材料是航空航天结构中最重要的组成部分，常用于飞机和航天器的内部骨架以及发动机等零件的固定支架等。随着科技的不断进步，碳纤维复合材料制品业进入了平常人的生活中，小到羽毛球拍，大到汽车无处不见到碳纤维复合材料的身影。碳纤维复合材料的强度要高于铜，自身重量却小于铝，与玻璃纤维相比，碳纤维还有高强度、高模量的特点，是非常优秀的增强型材料。还可以作为新型的非金属材料进行应用，它的主要特点有：高强度、耐疲劳、抗蠕变、导电、电模量、抗高温、抗腐蚀、传热、比重小和热膨胀系数小等优异性能。但高昂的制造成本限制了复合材料的广泛应用。与现有主要的复材制造技术，如热压罐成型技术、传递模塑（RTM）成型技术、缠绕成型技术、自动铺放技术相比，本次推出的复合材料3D打印工艺，具有成本低、效率高、无需模具、材料可回收利用等优势，能实现复杂结构复合材料构件的快速制造，详见表1。

 表格 1 复合材料3D打印工艺对比

工艺装备特征

连续纤维增强热塑性
复合材料3D打印

现有主要的复材制造技术

机器成本

机器成本相对较低

整套工艺装备十分昂贵

制件成本

无需任何模具，大大降低制件的成本

每制作一种零件就需要一个昂贵的模具，成本较高

制件复杂度

由于3D打印的灵活性，从理论上可以制造相对较为复杂的零件结构

对于大多传统工艺技术而言，主要的复材零件结构为简单回转体与壳体，复杂结构需要进行复材的连接

适用材料

各类连续纤维（如：碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等），热塑性基体材料（如：PLA、尼龙等）

各类连续纤维，目前主要以热固性基体材料为主，而热塑性复合材料也在逐步发展

纤维含量

可实现纤维含量在线调控

不能动态调整纤维含量

操作性

操作简单，与普通FDM 3D打印设备操作相似

操作复杂，且需要专业人员

 高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术是以连续纤维增强热塑性高分子材料，实现高性能复合材料零件直接3D打印，采用连续纤维与热塑性高分子材料为原材料，利用同步复合浸渍-熔融沉积的3D打印工艺实现复合材料制备与成形的一体化制造。

图1连续纤维增强聚合物基复合材料3D打印原理[1]

 经测试，所制备的Cf/PLA（Cf-27wt%）复合材料抗弯强度达到了350MPa左右，抗弯模量达到了30GPa，是传统PLA零件（48~53MPa）的7倍左右，如图2所示。经试验，采用复合材料3D打印工艺可以实现复杂结构复合材料构件的快速制造，图3为打印出的薄壁结构零件。

图2可通过改变工艺参数实现复合材料力学性能调控

图3碳纤维增强PLA复合材料薄壁样件，a)为薄壁圆筒结构，b)为尾翼结构

 随着该技术的成熟和3D打印设备的上市，将大大降低碳纤维复合材料制件的生产成本并提高生产效率，必将推动热塑性复合材料更广泛的应用。我们将择日在微信公众号上发布设备的图片及具体技术参数，请大家持续关注。

 相关知识产权-发明专利：

（1）一种连续长纤维增强复合材料3D打印机及其打印方法，ZL2014103256503.3，2016.02，授权

（2）一种纤维增强复合材料多自由度3D机及其打印方法，ZL201410325554.9，2016.08，授权

（3）一种连续纤维增强复合材料3D打印头及其使用方法，201410706201.3，公开

（4）一种连续纤维增强复合材料3D打印的多级送丝打印头，201510633569.6，公开