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3D打印技术在航天复合材料制造中的应用

2020-08-21

3D打印中最广泛使用的碳纤维形式是短切碳纤维丝。有多种短切碳纤维混合物可供选择,其中包括高温热塑性塑料作为基质材料。例如填充有短切碳纤维的PA,PEKK,PEEK和PEI(ULTEM)细丝。

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在短切碳纤维长丝中,碳纤维段与热塑性粒料混合,然后挤出成适合挤出3D打印的长丝。因为碳纤维是断裂的,而不是连续的,因此它只能在那些很小的碎片所在的位置提供碳纤维的刚度。

然而,将碳纤维引入热塑性长丝中可以改善其强度和刚度,但是也可能具有负面影响。一组研究人员发现,除了所需的强度外,PEEK-碳纤维复合材料的孔隙率更高,印刷层之间的粘合性更差。另一组发现用于立体光刻的树脂短切碳纤维具有相似的结果,包括增加了脆性。

这并不意味着切碎的碳纤维长丝(或树脂)在3D打印中没有价值,特别是因为相比之下它要便宜得多。

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。复合材料3D打印工艺的主要优势在于成本低,周期短,能实现复杂结构复合材料构建的快速制造。

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在航空航天领域,工程师寻求的纤维体积比率最高为60%左右。但是,使用其他碳纤维3D打印技术时,该比率接近30%至40%。没有晶格结构,CFC可以达到约45%,在碳纤维重叠的点上,该比率增加了一倍,即比传统复合材料更强。

由于在单一方向上的热塑性沉积最少 该零件的材料更少但强度更高

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在编织碳纤维中,多层单向纤维交错交错以模拟各向同性,最终以牺牲多余材料为代价提供全向强度。但是,使用CFC时,仅在必要时可以增加材料和强度。首先将碳纤维热塑性塑料带加热到高于塑料的熔融温度。然后,辊将胶带压在打印的部分上。热量,压力以及冷却后的印刷零件的结合使胶带可以使零件熔融。


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