3D打印技術(shù)在航天復(fù)合材料制造中的應(yīng)用

薛芳 韓瀟 孫東華

（北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

航天器的發(fā)射成本高，有效載荷的質(zhì)量對發(fā)射成本影響巨大，因此有效載荷在結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選用時特別注重結(jié)構(gòu)效率。碳纖維復(fù)合材料具有比強度高、比模量大、熱穩(wěn)定性好、可設(shè)計性強等特點，優(yōu)異的綜合性能正是追求性能第一、結(jié)構(gòu)質(zhì)量效率最大化的航天產(chǎn)品所需。

目前，應(yīng)用在航天光學(xué)遙感器的碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品涵蓋遙感器的各個部位，如相機鏡筒、相機支架、遮光罩、桁架等[1-3]。所用樹脂以環(huán)氧樹脂和氰酸酯樹脂為主，增強材料以連續(xù)碳纖維為主。根據(jù)具體產(chǎn)品特點和工藝特點，按照產(chǎn)品的性能要求和厚度要求將預(yù)浸料以一定的鋪層順序和鋪層層數(shù)在模具上疊放形成坯體，再將坯體放入熱壓罐或熱壓機在高溫環(huán)境下進行數(shù)小時的高溫高壓固化。

航天遙感器復(fù)合材料及制造工藝主要有以下特點：1）為保證產(chǎn)品的力學(xué)性能，增強體采用連續(xù)纖維；2）樹脂基體環(huán)氧樹脂和氰酸酯樹脂均為熱固性樹脂，需要在特定的固化溫度和壓力下進行數(shù)小時固化（發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)）以形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀交聯(lián)聚合物；3）預(yù)浸料疊層坯體內(nèi)部松散，為排出坯體中的空氣和其他小分子，需對坯體在加熱的同時施加高壓，以提高制品的致密性，保證制品的力學(xué)性能；4）對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，為保證其力學(xué)性能，預(yù)浸料鋪層設(shè)計往往需要多個平面或多個部位進行連續(xù)鋪層，如薄壁加筋鏡筒需保證法蘭環(huán)和鏡筒筒體的連續(xù)、加強筋與鏡筒筒體的連續(xù)等，多向接頭中要保證各端頭周向連續(xù)、各端頭之間的根部連續(xù)等。

21世紀，復(fù)合材料的需求將以更快的速度增長，而其高成本成為制約復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的重要瓶頸。低成本復(fù)合材料制造技術(shù)是目前世界上復(fù)合材料研究領(lǐng)域的一個核心問題。提高復(fù)合材料的性能價格比，除了在原材料、裝配與維護等方面進行研究改進外，更重要的是降低復(fù)合材料制造成本。[4]

近年來，三維（Three dimension，3D）打印技術(shù)的出現(xiàn)為制造業(yè)開辟了一個全新的思路，不同于傳統(tǒng)制造業(yè)的減材制造和等材制造，它通過添加材料的方式可以快速地成型復(fù)雜形狀產(chǎn)品并且實現(xiàn)最大限度的利用原材料。研究3D打印技術(shù)在航天復(fù)合材料產(chǎn)品制造的適用性，對于促進航天復(fù)合材料產(chǎn)品的低成本化制造具有重要的工程意義。

1 3D打印技術(shù)

1.1 3D打印技術(shù)原理

3D打印也叫增材制造，區(qū)別于傳統(tǒng)的減材或等材加工制造方法，它是采用材料逐層累加的方法制造實體零件。該技術(shù)是在現(xiàn)代CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、計算機數(shù)控技術(shù)、信息技術(shù)、精密伺服驅(qū)動技術(shù)以及新材料與物理化學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上集成發(fā)展起來的。其工作原理是將物理實體的計算機三維模型離散成一系列的二維層片，利用精密噴頭或激光熱源，根據(jù)層片信息，在數(shù)字化控制驅(qū)動下，將熔覆的成型材料通過連續(xù)的物理層疊加固化，逐層增加材料來生成三維實體產(chǎn)品，圖1為基于熔融沉積技術(shù)（FDM）3D打印基本過程示意圖[5]。

圖1 3D打印基本過程Fig.1 The basicprocess of 3 Dprinting

1.2 復(fù)合材料3D打印技術(shù)

在各種3D打印技術(shù)中，能夠進行復(fù)合材料3D制造的主要有選區(qū)激光燒結(jié)（selectedla sersintering，SLS）、熔融沉積成型（fusedde position modeling，F(xiàn)DM）、分層實體制造（laminated object manufacturing，LOM）以及立體光刻技術(shù)（sterolithography，SL）。[6]

（1）SLS

SLS制造復(fù)合材料的主要方法是混合粉末法，即基體粉末與增強體粉末混合，激光按設(shè)計圖紙的截面形狀對特定區(qū)域的粉末進行加熱，使熔點相對較低的基體粉末融化，從而把基體和增強體粘接起來實現(xiàn)組分的復(fù)合。該方法存在的問題是混合粉末中兩種材料的密度不同，易出現(xiàn)沉降使得制品成分不均勻。通過合成單一復(fù)合材料粉末進行技術(shù)改進，制得的復(fù)合材料粉末將能克服混合粉末的易沉降、不均勻等問題從而能夠制得品質(zhì)更高的制品。

（2）FDM

FDM工藝制造復(fù)合材料是預(yù)先將纖維和樹脂制成預(yù)浸絲束，再將預(yù)浸絲束送入噴嘴，絲束在噴嘴處受熱融化并按設(shè)計軌跡堆放在平臺上形成一層層材料，層與層之間通過樹脂部分或完全融化形成連接。FDM技術(shù)所用的復(fù)合材料預(yù)浸絲束必須滿足組分、強度以及低粘度等要求，一般需要在復(fù)合材料中添加塑性劑增加流動性。

（3）LOM

LOM技術(shù)與FDM類似，需預(yù)先制備單向纖維/樹脂預(yù)浸絲束并排制成無緯布即預(yù)浸條帶，預(yù)浸條帶經(jīng)傳送帶送至工作臺，在計算機的控制下，激光沿三維模型每個截面的輪廓線切割預(yù)浸條帶，逐層疊加在一起，形成三維產(chǎn)品。

（4）SL

利用SL制造復(fù)合材料，首先需將光敏聚合物與增強顆粒或纖維混合成混合溶液，利用紫外激光快速掃描存于液槽中的混合液，使光敏聚合物迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，從而由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，然后工作臺下降一層薄片的高度，進行第二層激光掃描固化，如此反復(fù)，形成最終產(chǎn)品。SL制造復(fù)合材料存在增強顆粒發(fā)生沉淀導(dǎo)致顆粒分布不均勻、溶液中泡沫導(dǎo)致固化后孔洞的產(chǎn)生、顆粒的反射使得激光吸收能量變低因而需要更長的照射時間等問題。

2 復(fù)合材料3D打印技術(shù)進展

熱塑性樹脂具有加熱變軟、冷卻固化的工藝特性，易于實現(xiàn)增材制造，在3D打印市場以熱塑性塑料為主，同樣，在復(fù)合材料3D打印技術(shù)中，以熱塑性樹脂為基體的復(fù)合材料相對也是主要的研究對象，增強材料有短切纖維和連續(xù)纖維。

2.1 短切纖維/熱塑性樹脂復(fù)合材料

德國、美國等3D打印公司及我國華曙高科等分別研制了可用于SLS技術(shù)的短切纖維/熱塑性樹脂復(fù)合材料粉末并實現(xiàn)商業(yè)化，材料參數(shù)見表1[7-10]。

表1 國內(nèi)外商業(yè)化SLS用復(fù)合材料粉料Tab.1 Commercial composite powder used in SLS at home and abroad

2.2 連續(xù)纖維/熱塑性樹脂復(fù)合材料

美國MarkForged公司2014年初研發(fā)了連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料3D打印設(shè)備MarkOne，打印出了碳纖維增強尼龍復(fù)合材料（見圖2）[11]。打印機具有兩個噴頭，一個噴頭輸送熱塑性樹脂（尼龍或聚乳酸），一個噴頭輸送連續(xù)的預(yù)浸碳纖維絲或預(yù)浸玻璃纖維絲，預(yù)浸纖維絲涂有特別為打印機開發(fā)的熱塑性樹脂，兩個噴頭輪流工作，用基于FDM的工藝沿X/Y平面鋪放樹脂和預(yù)浸絲束，實現(xiàn)纖維和樹脂的復(fù)合，纖維可以按需要取向或僅在需要的地方鋪放。目前，該設(shè)備僅能實現(xiàn)X/Y方向纖維取向，尚不能實現(xiàn)Z向取向。MarkOne可打印尺寸為0.6m×0.4m×0.3m。

圖2 MarkOne設(shè)備及復(fù)合材料樣件Fig.2 The Mark One instrument and a composite sample

美國Stratasys公司和美國能源部（DOE）橡樹嶺國家試驗室合作開發(fā)量產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料FDM制造技術(shù)。合作分為3個階段，第一階段研究在FDM過程中如何放入碎纖維以及如何調(diào)整材料的各種機械性能，第二至第三階段研究集中于在中心線上開工制造連續(xù)碳纖維復(fù)合材料以及進一步的處理[12]。

2.3 短切纖維/熱固性樹脂復(fù)合材料

圖3 熱固性復(fù)合材料的3D打印Fig.3 3D printing of thermoset composites

哈佛大學(xué)研制了適用于3D打印的環(huán)氧樹脂，首次實現(xiàn)了熱固性樹脂的3D打印，見圖3。為改善樹脂粘度，研究人員添加了納米粘土、二甲基磷酸酯、碳化硅晶須和短切碳纖維，以咪唑基離子做固化劑，極大地拓展了樹脂的打印窗口，使樹脂在長達數(shù)周的打印窗口期內(nèi)粘度不會顯著增加。通過控制纖維長徑比和噴嘴直徑，使填料在剪切力和擠出流的作用下發(fā)生取向，實現(xiàn)了填料取向的控制，獲得了取向的纖維。打印好的部件先在較低的溫度下預(yù)固化，然后從基板上移出再進行進一步高溫固化。[13]

3 航天用樹脂基復(fù)合材料3D打印技術(shù)分析

目前復(fù)合材料3D打印技術(shù)以短纖維/熱塑性復(fù)合材料為主，材料和設(shè)備實現(xiàn)了商業(yè)化，而熱固性基復(fù)合材料僅在試驗室實現(xiàn)了短切纖維增強復(fù)合材料的3D打印。結(jié)合航天遙感器復(fù)合材料的產(chǎn)品特點，連續(xù)纖維增強熱固性復(fù)合材料3D打印技術(shù)在打印材料、多維連續(xù)打印、預(yù)固化功能等方面亟待突破。

1）開發(fā)適應(yīng)性的打印材料。復(fù)合材料3D打印過程要求打印材料具有適當(dāng)?shù)恼扯取⒘鲃有?、長的操作時間、短的成型時間，因此需對現(xiàn)有航天復(fù)合材料材料體系進行適應(yīng)性開發(fā)，對材料體系進行改進，以提供滿足3D打印技術(shù)和航天應(yīng)用要求的材料。

2）突破纖維多維連續(xù)打印。復(fù)合材料3D打印設(shè)備亟需突破在多維方向的連續(xù)堆積，如設(shè)置五軸/六軸聯(lián)動打印平臺通過轉(zhuǎn)動平臺實現(xiàn)多維連續(xù)打印，以滿足航天復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品多個平面、多個部位的連續(xù)鋪層要求。

3）實現(xiàn)預(yù)壓實功能。熱固性樹脂基復(fù)合材料需在高溫高壓下實現(xiàn)樹脂基體的固化和制件的致密化，可在打印一定層數(shù)后在設(shè)備內(nèi)對坯體進行預(yù)壓實和加熱，提高打印中間過程的致密性，打印完成后再將坯體移至固化設(shè)備進行最終固化。

采用低成本技術(shù)是降低復(fù)合材料產(chǎn)品成本的有效途徑之一，3D打印技術(shù)通過增加材料實現(xiàn)產(chǎn)品的制造，能夠最大限度的發(fā)揮材料的利用率，降低復(fù)合材料生產(chǎn)成本。此外，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料產(chǎn)品，3D打印技術(shù)還可以減小對工裝的依賴，縮短加工時間，同時還可以實現(xiàn)整體成型、減少裝配時間，研究3D打印技術(shù)在航天復(fù)合材料的應(yīng)用具有重大工程意義。對于航天遙感器所用的連續(xù)纖維增強熱固性樹脂復(fù)合材料，3D打印需解決打印材料、纖維多維連續(xù)打印、預(yù)固化功能等問題。

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