连续纤维复合材料的快速成型制造

碳纤维预型件的快速成型制造省去了传统手工或自动预成型工艺的多个步骤（织物切割、堆叠和预成型），最大限度地减少了设计限制（图 1）。

图 1：比较工艺流程：连续纤维增强复合材料的传统预成型与增材预成型

由此产生的预型件可通过 RTM 用树脂浸渍来制造热固性复合材料，或者通过热成型（如果配制成热塑性复合材料）来制造热塑性复合材料。增强织物的预成型是复合材料成型中成本最高、最具局限性的阶段。这种预加工对最终成本的影响限制了复合材料应用领域的扩展。因此，自动化是这一领域的持续发展趋势。增材预成型将自动化和数字化整合到了一个过程中。此外，一些正在开发的快速成型技术可以最大限度地优化零件的拓扑结构和几何复杂性。这在成本和附加值方面，以及在可能的新商业模式（定制、现场制造等）方面，都产生了巨大的竞争改进潜力。

市场和技术背景

复合材料行业几乎遍布所有工业领域，年增长率为 5%。它是实现轻量化的关键因素，而轻量化是交通运输业的主要驱动力。生产工艺的发展使得优化生产效率和提高产品性能成为可能。

目前复材行业的主要趋势是：

- 工艺自动化和数字化（快速成型制造），以提高产量和降低成本；非热压罐成型工艺（OOA），如树脂灌注和 RTM；

- 将热塑性塑料加工作为生产高性能复合材料的一种具有竞争力的替代工艺；

- 工业 4.0：从设计到模拟、生产模拟、问题解决和物流问题等复合材料生产过程的全面数字化。

在过去几年中，已有多种技术（SLS、SLA、FDM、直接挤出等）可用于增强塑料零件的增材制造。熔融沉积成型（FDM）最常用于这些材料。除了打印聚合物材料和增强聚合物材料外，该技术还可用于打印短纤维（主要是碳纤维）增强聚合物，从而提高最终零件的性能，但还不足以与复合材料竞争。目前的主要挑战是如何打印连续纤维增强材料，以生产出性能与传统复合材料制造工艺类似的部件。这对增材制造来说是一个巨大的挑战，因为该技术本身缺乏压实性，而且很难在不限制部件几何复杂性的情况下实现适当的压实压力。

自 2013 年 Markforged 向市场推出第一台能够打印基于连续纤维聚合物结构的 3D 打印机以来，该领域的发展一直在持续。人们提出了各种进行集成和打印的方法。随后，9TLabs 成为首家开发出制造预制件而非最终部件的增材制造工艺的公司。

ADDlCOMP 技术

为了应对这种技术和市场环境，Tecnalia 正在开发 ADDICOMP 增材预成型技术，这是一种基于 FDM 技术改造的工艺。

开发工作分以下几个阶段进行：

- 开发涂有聚合物材料的 FDM 可打印连续纤维丝；

- 根据浸渍树脂的特性调整线材的热塑性涂层；

-在连续纤维含量非常高的情况下对线材打印工艺进行微调（65%质量分数，通过 TGA 热重分析法测量线材）；硬件和软件；

- 开发浸渍后工序；

- 开发应用领域。

用传统方法打印预成型件，然后进行浸渍，可获得与传统预成型工艺相同的机械性能，但没有几何限制，而且是全数字化的。

3D打印线材发展

连续纤维3D打印的线材采用了针对电线行业进行优化的传统挤出工艺。只不过铜丝被碳纤维纱或玻璃纤维丝代替，涂层则根据制造复合材料部件所用的基体进行选择。这样做的目的是使基体（通常是环氧树脂）溶解线材涂层，使碳纤维或玻璃纤维增强体裸露出来。随后，可通过灌注、RTM 等工艺将其与树脂适当浸渍，最终制成具有适当纤维比例的部件。

由此产生的线材总直径为 1.77 毫米（图 2）。其中的增强体含量高达 65%。热塑性聚合物涂覆层是打印增强预制体的载体，因此在打印时应使用足够的量。用于涂层的材料包括苯氧基热塑性树脂，因为它们可溶于环氧树脂。

图 2：3D 打印线材：挤出生产的线材（左），成品线材的截面细节（右）

热塑性粘合剂的开发

热固性基体/热塑性粘合剂系统的选择至关重要，必须保证基体对纤维的正确浸渍，减少空隙含量。因此，热塑性涂层（聚碳酸酯或苯氧基）必须与树脂混溶或不干扰浸渍，最好能作为热固性基体的加硬剂，从而促进这一过程。为此，需要对系统的分子间相互作用进行了详尽的分析和化学研究，包括相关的化学测试（溶解度参数、接触角、显微镜、热塑性树脂混合物的流变特性等）。

连续纤维增强复合材料的增材预成型和生产

为了能够打印预成型件（图 3，左），Tecnalia 开发了 FDM 技术本身来打印线材。公司开发了一种特定的打印机，对硬件（切割机制和机械变化）和软件（生成带有切割点的轨迹、切割控制等）进行了修改。此外，该公司还研究了增材预成型工艺和随后的树脂浸渍工艺（如 RTM 或真空灌注）的最佳条件。对温度、固化时间等工艺参数和其他因素进行了分析，以确保最终复合材料的质量。在对这些工艺进行评估和选择后，生产出了单件 RTM 演示器（右图 3）。

图 3：预成型件和由此产生的热固性复合材料部件

潜在应用领域

通过提供创建高度定制和优化的三维预型件的能力，快速成型技术为各行各业带来了新的机遇。下面介绍一些最值得关注的应用领域。

局部加固、等格网和单元结构

一方面，由于能够以精确和局部的方式沉积碳纤维，增材预成型是在零件特定区域添加增强材料的理想选择。这可以提高关键部件的强度和耐用性，尤其是在负载点或易疲劳区域。

另一方面，等格网是由一系列六边形或三角形元素组成的网状结构（图 4）。这些结构以强度高、重量轻而著称。增材预成型技术可以高效地制造等格网，因此非常适合需要低重量高强度的应用。

图 4：添加式预成型可用于生产高强度三角形构件

集成加强筋和肋条

增材预成型允许将加强筋和肋条直接集成到预成型件中（图 5）。这些元件可提高零件的强度和刚度，而不会显著增加重量。在飞机机翼和航天器结构等需要高强度重量比的应用中，这些元件至关重要。

图 5：可通过添加式预成型制造部件的不同示例

热塑性浸渍预型件

在某些情况下，预型件可用作随后浸渍热固性基材的基底。这种技术结合了热塑性塑料的易加工性和热固性塑料的优异机械性能，可制成高性能的复合材料（图 6）。

图 6：自动卷绕单元

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