高性能纖維增強樹脂基復合材料3D打印及其應(yīng)用探索*

田小永， 劉騰飛， 楊春成， 李滌塵

（西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安 710054）

飛機結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化、高性能化對于降低飛機的飛行成本，提高飛機的飛行性能有著至關(guān)重要的作用，是飛機發(fā)展一直追求的目標。纖維增強樹脂基復合材料具有高強度、高模量、比重小、熱穩(wěn)定好、可設(shè)計性強等優(yōu)點[1]，應(yīng)用在飛機結(jié)構(gòu)上能帶來明顯的減重效果和綜合性能的顯著提高，在航空飛機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用越來越廣泛，已成功應(yīng)用在飛機的水平安定面、尾翼、機翼、機身等飛機結(jié)構(gòu)上，大大提高了飛機的結(jié)構(gòu)效率與綜合性能[2]。其中，軍用飛機中纖維增強樹脂基復合材料用量已占飛機結(jié)構(gòu)重量的20%～50%，如美國F-22戰(zhàn)斗機上用量達到25%左右；民用飛機中，美國波音787纖維增強樹脂基復合材料用量達到50%，歐洲空客公司的A350XWB用量已達到52%[2-4]，如圖1所示。

圖1 空客公司復合材料應(yīng)用水平Fig.1 Application levels of composites in the products of Airbus

傳統(tǒng)的纖維增強樹脂基復合材料的成型工藝主要分為兩個過程完成，首先要制備纖維預(yù)浸料，制備方法主要有浸漬法、沉積法、混編法等；然后將預(yù)浸料經(jīng)過加工制成成型制件，加工方法有模壓成型、拉擠成型、纏繞成型、鋪放成型等[1,5]。傳統(tǒng)的成型工藝過程較復雜，加工成本較高，且無法實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)件的快速制造，大大限制了纖維增強樹脂基復合材料的應(yīng)用范圍[6]。同時，傳統(tǒng)的纖維增強樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)件對于纖維的回收大多采用物理粉碎、高溫熱解以及化學分解的方式進行，往往對環(huán)境造成污染，成本高且很難實現(xiàn)纖維與基體材料的高效再利用[7]。……