纤维牵引打印：一种连续纤维增强金属基复合材料的3D打印方法

供稿人:汪鑫 田小永
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室　       

金属基复合材料是一种具有高比强度、高比模量、低密度、抗腐蚀等性能的“未来金属”材料，在航空、航天、汽车等领域具有广泛的应用前景。然而，制备金属基复合材料需要昂贵设备和苛刻的工艺条件，这些限制增加了金属基复合材料的制备成本，阻碍其进一步应用。另外，金属基复合材料加工难度大，现有的近净成型工艺难以实现具有复杂形状的金属基复合材料制备。

因此，西安交通大学的Tian等人，提出一种基于毛细作用的连续纤维增强金属基复合材料低成本、快速3D打印工艺——纤维牵引打印。Tian等人通过改性的方式，有效提高熔融金属基体与纤维的润湿性能，使熔融金属在毛细作用力下自发渗入纤维单丝之间，实现纤维与基体的无压、快速复合（图1）。同时，Tian等人提出利用纤维对基体的束缚作用，克服熔融金属的内聚力，有效控制打印单丝的横截面形状。

图1 3D打印工艺的原理示意图及3D打印机

为了验证该打印方法的可行性，Tian等人利用锡铅合金和连续碳纤维进行3D打印，并开发出如图1所示3D打印机。图2为不同挤丝量、打印速度下，纤维对打印单丝横截面形状的控制效果，当挤丝量小于20/100，打印速度小于3mm/s时，纤维的束缚作用明显，横截面呈长方形，有利于实现单丝的层层累加。另外，锡铅基体在毛细作用下自发渗入纤维之间，所打印单丝具有完整的内部结构。

图2 纤维对单丝横截面形状的束缚

之后，该团队还对打印的金属基复合材料拉伸性能进行了测试。当改性碳纤维表面的金属镀层厚度为3.0μm时，复合材料性能最高能达到235.2MPa，是锡铅基体性能的7.1倍，接近传统加压铸造工艺的制备性能（240.0MPa）。最后，该团队还打印了一些传统金属基复合材料制备工艺难以制备的形状（图3）。Tian等人表示，该工艺还可以拓展到其他具有良好润湿性的材料体系，有望在将来实现Cf/Al、Cf/Mg等复合材料打印。

图3 3D打印金属基复合材料样件

参考文献：
Wang X , Tian X , Lian Q , Dichen L. Fiber Traction Printing: A 3D Printing Method of Continuous Fiber Reinforced Metal Matrix Composite[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2020, 33(1).