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

3D打印快讯
2020
10/13
16:01
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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。


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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。

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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。

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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).

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