碳纖維技術在快速成型領域的應用

摘 要：本文就快速成型技術的一個研究方向進行討論，就是如何將碳纖維技術和快速成型結合起來，共例舉了兩種方法，碳纖維復合性材料燒結技術和碳纖維材料鋪放熱固化技術。雖然僅僅是材質的更換，但通過本文你可以看到未來這個研究方向的廣闊前景。

關鍵詞： 碳纖維技術； 碳纖維復合性材料； 鋪放熱固化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.198

1 碳纖維技術在快速成型領域是一個很重要的研究方向

快速成型在中國高速發展，在模具領域中，在產品批量很少的情況下，制作者不必使用模具來加工產品，而且傳統的機械加工必須考慮到產品的外形來制定加工工藝，而快速成型不受產品外形的復雜性的限制，成為初期產品設計，少量產品加工的首選。而且在產品零部件的配套方面，快速成型的方便快捷能夠滿足客戶維修周期的需要。總之快速成型在未來具有非常廣闊的前景，將改變目前的制造模式。目前3d打印材料各種各樣，但在基層推廣使用的有PLA，ABS等材料，這些材料打印出的塑料產品強度低，耐腐蝕性差，產品材料無剛性易老化，在很多場合不能真正的使用。快速成型想要真正推廣，打印材料的革新成為主要瓶頸，本文將介紹碳纖維技術和快速成型的結合，可以為快速成型材料提供一個研究方向。

2 碳纖維和快速成型結合的兩種方法

碳纖維是一種高強度，高模量的新型材料，它的基本物理性能為外柔內剛，質量比鋁還要輕，但強度比鋼鐵還高。它還有耐腐蝕突出、耐超高溫、熱膨脹系數小，電磁屏蔽性好等等優點。碳纖維材料和快速成型結合可以從兩個點來進行突破，一種是將碳纖維和傳統打印材料結合起來，作出復合性材料。第二種是直接將碳纖維材料用3d打印技術直接鋪放在已有零件產品的表面，再利用配套熱罐進行熱固化。

碳纖維復合材料有很多組合，目前都在研發階段，相對來說比較成功的是尼龍碳纖維復合材料，尼龍粉末60%，碳纖維粉末40%，尼龍碳纖維復合材料打印的機翼管道和各種構件，耐壓提高：從單純的尼龍粉末耐壓40兆帕增加到80兆帕，應用范圍很廣。5-10米尼龍碳纖維復合材料生產設備，設備可大型化，滿足航空航天和船舶的需求。目前已在無人機身和機翼，飛機內部非承重結構做了實驗，并獲得成功。它不僅能夠滿足使用要求，而且優化了結構設計，比如將桁架內部掏空成網狀結構，在重量減輕基礎上強度反而增加，具體如圖1所示。目前和高強度3D打印碳纖維設備匹配的技術為PSLS增壓激光選擇性燒結技術。如圖2所示尼龍碳纖維復合材料配件耐壓80兆帕直接為殲10-殲20系列戰機配置尼龍碳纖維配件，還減輕了重量。在現有的激光燒結設備上更換成型材料，選擇用碳纖維尼龍復合材料，是一樣簡單便捷的革新，僅僅更換材料，就可以獲得高性能的產品，將擴大快速成型使用領域。

而另外一種碳纖維的鋪放技術，完全是不同于傳統的快速成型工藝，而是更多的在已有零件的基礎上強化產品的性能，多用于高性能復雜結構部件的制作如圖3所示，將纖維束通過軟件鋪放在已有零部件的表面，鋪放的走向，厚度和間隙都可以調節，然后通過紅外加熱以及壓頭進行熱固，可以完成復雜形狀零件制作。如圖4所示也可以用紫外線原位固化技術，該技術在優勢為造價低廉，性能也很優良。原位光固化低能電子束僅70萬，UV-LED 及電源僅5萬元，固化溫度為140度，光固化纖維復合材料的拉伸強度可達902MPa，剪切強度45MPa。

產品的性能得到提高，加上快速成型本身的快速，廉價等優勢，很多強度的零件也可以使用該工藝來獲得，也是大大拓寬了快速成型技術的應用領域。

3 碳纖維技術在快速成型領域具有廣闊的前景

碳纖維技術和快速成型的結合大大提高了快速成型技術的實用性，產品的強度，耐用度和腐蝕性等物理化學性能都得到大幅度提高，在未來有很廣闊的市場。

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作者簡介：蔣曄（1974-），男，高級工程師。