3D打印技術在航天復合材料制造中的應用

殷健

（彩山鋁業有限公司，山東泰安，271409）

在航天領域，航天器具備較高的發射成本，航天器的有效荷載是影響發射成本的關鍵因素，通過合理的結構設計及材料結構的有效利用，可以減輕航天器的重量，從而降低航天器的發射成本。復合材料具有比重小、比強度高、比模量大的特性，選擇復合材料作為航天器的結構制造材料，可以實現結構材料質量效率的最大化。3D打印技術具有成型快、高易得性、無縫連接的特點，將3D打印技術與航天復合材料制造相結合，對于降低發射成本、促進我國航空航天的可持續發展意義重大。

1 3D打印技術簡介

1.1 3D打印技術的原理

3D打印技術又被稱作增材制造，主要是通過材料逐層疊加的方式，完成實體零件的制造。3D打印技術是在激光技術、物理化學技術以及CAD/CAM技術等多項技術的基礎上發展而來。具體的工作原理：①繪制出物理實體的計算機三維模型，并將該三維模型離散成為一定數量的二維層片；②通過激光熱源或者精密噴頭，按照二維層片的信息，通過數字化控制驅動，將熔覆完成的成型材料進行連續的物理層疊加固化，通過逐層材料疊加，完成物理實體產品的制造[1]。具體的3D打印流程如圖1所示。

圖1 3D打印流程示意圖

1.2 使用復合材料的3D打印技術

在3D打印技術中，能夠用于制造復合材料的技術主要有選區激光燒結技術、分層實體制造技術、立體光刻技術以及熔融沉積成型技術。

a）選區激光燒結技術，主要通過混合粉末法實現復合材料的制造。在實際的復合材料制造過程中，基體粉末會與增強體粉末進行有效融合，激光將會根據設計圖樣繪制的截面形狀，將某一特定范圍內的粉末加熱，在混合粉末中，熔點較低的基體粉末會事先熔化，實現基體粉末與增強體粉末的有效粘接，完成復合材料結構的制造。但是在實際的復合材料制造過程中，基體粉末和增強體粉末的密度有所差異，很容易使制品的成分出現沉降，導致成品不均勻，影響復合材料的品質。

b）分層實體制造技術，首先要將單向纖維以及樹脂制造成預浸絲束，并將預浸絲束制造成無緯布 （又被稱作預浸條帶）；然后利用傳送帶將預浸條帶輸送到工作臺；最后通過計算機的控制，確保激光按照三維模型的截面輪廓線進行預浸條帶的切割、逐層疊加完成復合材料結構的制造。

c）立體光刻技術，首先要將光敏聚合物和纖維或者增強體進行混合，并通過利用紫外激光進行混合液的快速掃描，使得光敏聚合物產生光聚合反應，將混合液從液態轉變為固態；然后，將工作臺下降一層薄片的高度之后，完成下一層的激光掃描固化，通過多層掃描固化，完成復合材料結構的制作。在實際的立體光刻技術應用過程中，增強體很容易出現沉淀現象，從而使得增強體的分布不均勻或者混合液中出現氣泡，對復合材料的質量及性能造成影響。

d）熔融沉積成型技術，首先要將纖維與樹脂制造成預浸絲束，然后將絲束放置于噴嘴中，噴嘴部位的加熱將絲束融化，并通過噴嘴的移動完成材料的鋪層。在熔融沉積成型技術中，不同鋪層之間主要利用樹脂進行連接。需要注意的是，熔融沉積成型技術所用的預浸絲束需要具備較低的粘度和一定的強度。通常情況下，技術人員會在復合材料的制造過程中應用塑性劑，提升預浸絲束的流動性，確保其粘度與強度滿足制造要求[2]。

2 3D打印技術在復合材料制造中的應用

就3D打印技術的應用現狀而言，其在復合材料制造中的應用主要以熱塑性復合材料為主，即碳纖維復合材料。碳纖維復合材料具備比模量大、熱穩定性高以及比強度大等優勢，具備較高的結構質量效率以及優異的性能，能夠滿足航天器對于材料的結構效率需求。在實際的碳纖維復合材料制造過程中，主要將環氧樹脂以及氰酸酯樹脂作為樹脂材料，將連續碳纖維作為增強材料。具體而言，3D打印技術在進行碳纖維復合材料的制造時，主要包括：熱塑性短切纖維、連續纖維和熱固性短切纖維。

a）熱塑性短切纖維，是將尼龍作為基體，將短切碳纖維或者玻璃微珠作為增強體，進行制造的一種復合材料，屬于熱塑性樹脂復合材料。國內外多家3D打印公司都通過3D打印技術中的選區激光燒結技術進行短切纖維的生產，但是并沒有實現商業化大規模的生產[2]。

b）連續纖維，屬于熱塑性樹脂復合材料，最早由美國MarkForged公司研發的3D打印設備MarkOne（該打印設備如圖2所示）打印而成，是一種碳纖維增強尼龍的復合材料。

圖2 MarkOne打印設備

在該打印設備中，共有兩個噴頭。其中一個噴頭負責輸送熱塑性樹脂 （聚乳酸或者尼龍等材料）；另一個噴頭負責連續輸送預浸玻璃纖維絲或者預浸碳纖維絲。通過兩個噴頭的連續輪流工作，結合FDM制造工藝，在X/Y平面進行預浸絲束以及樹脂的有效融合。需要注意的是，纖維需要根據實際的制造需求鋪放。在實際的制造過程中，美國MarkForged公司研發的這個3D打印設備MarkOne僅能夠實現X/Y方向上的纖維取向，并不能在Z向上完成纖維取向。

另外，美國Stratasys公司與能源部國家實驗室進行合作，共同研發了碳纖維復合材料的量產制造工藝，通過熔融沉積成型技術，實現復合材料的商業化發展。在兩者合作的過程中，主要進行了3個階段的研究：碎纖維的投放和材料機械性能的調整；碳纖維復合材料的連續制造；復合材料的進一步處理。

c）熱固性短切纖維，在3D打印技術的研究中，哈佛大學研發了能夠用于3D打印的環氧樹脂，使短切纖維這類熱固性樹脂復合材料的3D打印成為可能。在實際的材料制造過程中，為了保障樹脂的粘度，研究人員使用短切碳纖維、二甲基磷酸酯以及納米粘土等多種材料，將咪唑基離子作為固化劑，豐富了3D打印技術的樹脂打印窗口，確保樹脂能夠在長達月余的打印窗口期間，其粘度不會有較大的提升。與此同時，技術人員通過對纖維長徑比以及對噴嘴直徑的控制，確保填料會受到剪切力以及擠出流的影響，以此進行相應的取向，從而實現填料取向的有效控制，確保3D打印技術能夠制造出良好取向的纖維。在打印完成之后，技術人員需要事先將其安放于較低的溫度下，進行預固化；然后再將其從基板中轉移到高溫環境中，實現高溫固化，完成復合材料的制造[3]。

3 3D打印技術在航天復合材料制造中的應用前景

3.1 熱固性復合材料的制造工藝

本文將以航天光學遙感器為例，根據其復合材料制造工藝，分析3D打印技術生產制造熱固性復合材料的可行性。在航天光學遙感器中，其相機支架、相機鏡筒以及遮光罩等部位均會應用到熱固性復合材料。但是在實際的3D打印過程中，由于熱固性復合材料的制造工藝特點，使其難以進行規模化生產。

熱固性復合材料的制造工藝要求：①因為熱固性復合材料所有的樹脂為熱固性樹脂，需要對其進行固化，確保樹脂能夠形成穩定的網狀交聯聚合物；②預浸料疊層坯體的內部十分松散，需要在加熱的同時，向其施加一定的壓力，將坯體內部的空氣和小分子排除掉，以此提升復合材料的致密性，確保其具備優異的性能；③在實際的預浸料鋪層設計的過程中，需要進行多個平面或者部位的連續鋪層，比如，保障鏡筒筒體和強筋之間的連續、保障鏡筒筒體和法蘭環之間的連續等。基于上述制造工藝要求，傳統的3D打印技術難以實現批量生產，需要進行相應的創新。

3.2 熱固性復合材料的3D打印

通過上述分析可知，3D打印技術在復合材料制造中的應用主要是以短纖維或者熱塑性復合材料作為主體，所用的材料和設備具備顯著的商業化特征。但是在實際的航天復合材料應用過程中，需要應用到熱固性復合材料，而3D打印技術僅能夠在實驗室完成該材料的制造，并不能投入生產。因此，3D打印技術需要進行創新改革，實現連續纖維增強熱固性復合材料的制造。在航天用樹脂基復合材料的制造過程中，3D打印技術具有很好的應用前景。

a）開發應用具備適應性的打印材料。在應用3D打印技術進行航天用樹脂基復合材料的生產制造過程中，需要選擇具備一定粘度、流動性，而且操作時間相對較長，成型時間相對較短的打印材料。在這種制造要求下，需要進行航天復合材料體系的適應性開發，通過材料體系的創新發展，為3D打印技術提供豐富的制造材料。

b）實現多維連續打印。在未來的3D打印技術應用過程中，需要解決復合材料3D打印設備存在的多維方向連續堆積問題。通過五軸或者六軸聯動打印平臺的應用，利用平臺的轉動實現多維連續打印，這樣才能夠滿足航天復雜結構產品對復合材料的需求，實現多個平面與部位連續鋪層。

c）豐富預壓實功能。在實際的應用過程中，熱固性樹脂基復合材料只有在高溫高壓條件下，才能夠保障樹脂基體的固化以及樹脂基制件的致密化。具體而言，可以在打印一定層數之后，再在打印設備內部進行坯體的預壓實及加熱，確保材料在打印過程中也具備較強的致密性。需要注意的是，在打印完成之后，需要將坯體轉移到固化設備中，對其進行最終固化處理[4]。

綜上所述，在復合材料的制造過程中，3D打印技術具有顯著的優勢，值得推廣應用。通過本文的分析可知，3D打印技術能夠用于熱塑性短切纖維、連續纖維以及熱固性短切纖維的制造中，但是由于熱固性短切纖維不能夠規模化生產，需要技術人員進行3D打印技術的創新改革，進一步完善3D打印技術的復合材料制造工藝，為航空航天發展提供成本低廉、性能優異的復合材料。希望本文的分析可以為相關研究提供理論參考。