堪萨斯州立大学：超高强度连续碳纤维复合材料的3D打印

供稿人:云京新、田小永 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室　

连续纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）是以连续纤维作为增强材料，以热塑性树脂为基体，通过将热塑性树脂熔融浸渍的工艺制造的高强度、高刚性、高韧性的复合材料。连续纤维增强热塑性复合材料由于其轻质、高刚度、高韧性等特性，在汽车工业，航空航天，军工，电子等诸多领域已经得到了广泛应用。

连续碳纤维增强热塑性复合材料的3D打印技术由于其在制造3D结构方面比传统制造工艺具有无可比拟的灵活性而得到了日益发展。然而，在主流的熔融沉积成型（FDM）和挤压成形技术中，存在着层间结合薄弱、微珠与层间空隙、碳纤维体积比低等关键问题，阻碍了这些技术在航空航天和国防等关键领域的应用。

针对上述问题，堪萨斯州立大学的研究团队提出了一种使用预浸料复合片来制造独立式层压结构CFRP的3D打印新方法，该方法的灵感来源于分层实体制造（LOM）技术，但是对粘合过程进行了改进，能够更有效地固化预浸料板。该方法的具体实现过程如图1所示，首先根据切片的CAD几何形状依次切割预浸料片，然后使用CO2激光束和固结辊系统一层一层地粘合。通过计算机断层扫描发现，制得的样件空隙含量低，并且层间粘结强度和搭接剪切强度测试的常规高压釜法一样高。对于目前所有3D打印的CFRTP而言，该团队获得了迄今为止所报道过的最高拉伸强度（668.3 MPa）和弯曲强度（591.16 MPa），这主要归功于优异的界面粘合强度和连续碳纤维的高体积比。

图1. 碳纤维增强热塑性复合材料的激光辅助3D打印示意图。 a）基于切片的横截面，使用聚焦的CO2激光束对预浸料复合片进行激光切割。 b）在之前的图层之上添加预切图层。 c）使用CO2激光束和固结辊系统对复合预浸料片进行激光辅助粘合。来自激光照射的高温（高于树脂熔点）和来自固结辊的压力可以完全固结预浸料坯层。 d）最终3D打印的复合结构的图片。 e）在该研究中使用的PA6/CF和PP/GF预浸料复合材料的DSC曲线。

该研究对于3D打印的高强度CFRTP结构进行了可行性验证，通过3D打印能够支撑P.Parandoush（论文作者）自重的轴向（图2a）和横向（图2b）载荷的CFRTP结构件，以及替代铝合金材料的CFRTP遥控车车架（图2c，d）。所有这些结构均以[0/-45/0/45°]s 碳纤维方向进行3D打印，以实现较高的多方向强度。此外，事实证明，用于遥控车的3D打印框架与替换的原始铝制框架一样坚硬。该研究的3D打印技术具有极高的灵活性，再加上其高强度/重量比，使得3D打印有可能成为高性能结构材料生产的重要候选方案之一。

图2. 该研究已开发的一些实际应用。 具有[0/-45/0/45°]s纤维取向的3D打印CFRTP结构可以支撑P. Parandoush在a）轴向和b）横向上的重量。高体积分数的连续纤维增强和出色的界面粘合可以实现这种强度。 c）这种3D打印方法还用于3D打印遥控车的车架。 d）这辆车的3D打印碳纤维复合材料框架在不牺牲结构刚性的情况下取代了原来的铝制零件。

总之，该研究团队制得了迄今为止最强的3D打印CFRTP复合材料，它是利用连续碳纤维增强的预浸料复合板作为基础材料。在这种方法中，先根据指定的CAD模型截面对预浸料片进行激光切割，然后使用CO2激光束和固结辊将预浸料坯层粘合到前一层，重复此逐层过程，直到获得最终的3D几何形状。该研究的3D打印体系结构结合了高体积分数连续碳纤维增强和强大的层间粘合力，与现有的商用复合3D打印技术相比，具有出色的强度和刚度，证明了3D打印高强度CFRTP材料的可行性，有望在汽车工业、航空航天等领域得到进一步的应用。

参考文献：
Pedram Parandoush, Chi Zhou, and Dong Lin. 3D Printing of Ultrahigh Strength Continuous Carbon Fiber Composites. Adv. Eng. Mater. 2019, 21, 1800622.