3D打印技術(shù)在航天復(fù)合材料制造中的應(yīng)用

殷健

（彩山鋁業(yè)有限公司，山東泰安，271409）

在航天領(lǐng)域，航天器具備較高的發(fā)射成本，航天器的有效荷載是影響發(fā)射成本的關(guān)鍵因素，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料結(jié)構(gòu)的有效利用，可以減輕航天器的重量，從而降低航天器的發(fā)射成本。復(fù)合材料具有比重小、比強(qiáng)度高、比模量大的特性，選擇復(fù)合材料作為航天器的結(jié)構(gòu)制造材料，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量效率的最大化。3D打印技術(shù)具有成型快、高易得性、無縫連接的特點(diǎn)，將3D打印技術(shù)與航天復(fù)合材料制造相結(jié)合，對(duì)于降低發(fā)射成本、促進(jìn)我國(guó)航空航天的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

1 3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 3D打印技術(shù)的原理

3D打印技術(shù)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(shí)體零件的制造。3D打印技術(shù)是在激光技術(shù)、物理化學(xué)技術(shù)以及CAD/CAM技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。具體的工作原理：①繪制出物理實(shí)體的計(jì)算機(jī)三維模型，并將該三維模型離散成為一定數(shù)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(shù)字化控制驅(qū)動(dòng)，將熔覆完成的成型材料進(jìn)行連續(xù)的物理層疊加固化，通過逐層材料疊加，完成物理實(shí)體產(chǎn)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(fù)合材料的3D打印技術(shù)

在3D打印技術(shù)中，能夠用于制造復(fù)合材料的技術(shù)主要有選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)、分層實(shí)體制造技術(shù)、立體光刻技術(shù)以及熔融沉積成型技術(shù)。

a）選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)，主要通過混合粉末法實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的制造。在實(shí)際的復(fù)合材料制造過程中，基體粉末會(huì)與增強(qiáng)體粉末進(jìn)行有效融合，激光將會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣繪制的截面形狀，將某一特定范圍內(nèi)的粉末加熱，在混合粉末中，熔點(diǎn)較低的基體粉末會(huì)事先熔化，實(shí)現(xiàn)基體粉末與增強(qiáng)體粉末的有效粘接，完成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造。但是在實(shí)際的復(fù)合材料制造過程中，基體粉末和增強(qiáng)體粉末的密度有所差異，很容易使制品的成分出現(xiàn)沉降，導(dǎo)致成品不均勻，影響復(fù)合材料的品質(zhì)。

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

c）立體光刻技術(shù)，首先要將光敏聚合物和纖維或者增強(qiáng)體進(jìn)行混合，并通過利用紫外激光進(jìn)行混合液的快速掃描，使得光敏聚合物產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，將混合液從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)；然后，將工作臺(tái)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制作。在實(shí)際的立體光刻技術(shù)應(yīng)用過程中，增強(qiáng)體很容易出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象，從而使得增強(qiáng)體的分布不均勻或者混合液中出現(xiàn)氣泡，對(duì)復(fù)合材料的質(zhì)量及性能造成影響。

d）熔融沉積成型技術(shù)，首先要將纖維與樹脂制造成預(yù)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(dòng)完成材料的鋪層。在熔融沉積成型技術(shù)中，不同鋪層之間主要利用樹脂進(jìn)行連接。需要注意的是，熔融沉積成型技術(shù)所用的預(yù)浸絲束需要具備較低的粘度和一定的強(qiáng)度。通常情況下，技術(shù)人員會(huì)在復(fù)合材料的制造過程中應(yīng)用塑性劑，提升預(yù)浸絲束的流動(dòng)性，確保其粘度與強(qiáng)度滿足制造要求[2]。

2 3D打印技術(shù)在復(fù)合材料制造中的應(yīng)用

就3D打印技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀而言，其在復(fù)合材料制造中的應(yīng)用主要以熱塑性復(fù)合材料為主，即碳纖維復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料具備比模量大、熱穩(wěn)定性高以及比強(qiáng)度大等優(yōu)勢(shì)，具備較高的結(jié)構(gòu)質(zhì)量效率以及優(yōu)異的性能，能夠滿足航天器對(duì)于材料的結(jié)構(gòu)效率需求。在實(shí)際的碳纖維復(fù)合材料制造過程中，主要將環(huán)氧樹脂以及氰酸酯樹脂作為樹脂材料，將連續(xù)碳纖維作為增強(qiáng)材料。具體而言，3D打印技術(shù)在進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料的制造時(shí)，主要包括：熱塑性短切纖維、連續(xù)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(qiáng)體，進(jìn)行制造的一種復(fù)合材料，屬于熱塑性樹脂復(fù)合材料。國(guó)內(nèi)外多家3D打印公司都通過3D打印技術(shù)中的選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行短切纖維的生產(chǎn)，但是并沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模的生產(chǎn)[2]。

b）連續(xù)纖維，屬于熱塑性樹脂復(fù)合材料，最早由美國(guó)MarkForged公司研發(fā)的3D打印設(shè)備MarkOne（該打印設(shè)備如圖2所示）打印而成，是一種碳纖維增強(qiáng)尼龍的復(fù)合材料。

圖2 MarkOne打印設(shè)備

在該打印設(shè)備中，共有兩個(gè)噴頭。其中一個(gè)噴頭負(fù)責(zé)輸送熱塑性樹脂 （聚乳酸或者尼龍等材料）；另一個(gè)噴頭負(fù)責(zé)連續(xù)輸送預(yù)浸玻璃纖維絲或者預(yù)浸碳纖維絲。通過兩個(gè)噴頭的連續(xù)輪流工作，結(jié)合FDM制造工藝，在X/Y平面進(jìn)行預(yù)浸絲束以及樹脂的有效融合。需要注意的是，纖維需要根據(jù)實(shí)際的制造需求鋪放。在實(shí)際的制造過程中，美國(guó)MarkForged公司研發(fā)的這個(gè)3D打印設(shè)備MarkOne僅能夠?qū)崿F(xiàn)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(guó)Stratasys公司與能源部國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合作，共同研發(fā)了碳纖維復(fù)合材料的量產(chǎn)制造工藝，通過熔融沉積成型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的商業(yè)化發(fā)展。在兩者合作的過程中，主要進(jìn)行了3個(gè)階段的研究：碎纖維的投放和材料機(jī)械性能的調(diào)整；碳纖維復(fù)合材料的連續(xù)制造；復(fù)合材料的進(jìn)一步處理。

c）熱固性短切纖維，在3D打印技術(shù)的研究中，哈佛大學(xué)研發(fā)了能夠用于3D打印的環(huán)氧樹脂，使短切纖維這類熱固性樹脂復(fù)合材料的3D打印成為可能。在實(shí)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(shù)的樹脂打印窗口，確保樹脂能夠在長(zhǎng)達(dá)月余的打印窗口期間，其粘度不會(huì)有較大的提升。與此同時(shí)，技術(shù)人員通過對(duì)纖維長(zhǎng)徑比以及對(duì)噴嘴直徑的控制，確保填料會(huì)受到剪切力以及擠出流的影響，以此進(jìn)行相應(yīng)的取向，從而實(shí)現(xiàn)填料取向的有效控制，確保3D打印技術(shù)能夠制造出良好取向的纖維。在打印完成之后，技術(shù)人員需要事先將其安放于較低的溫度下，進(jìn)行預(yù)固化；然后再將其從基板中轉(zhuǎn)移到高溫環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)高溫固化，完成復(fù)合材料的制造[3]。

3 3D打印技術(shù)在航天復(fù)合材料制造中的應(yīng)用前景

3.1 熱固性復(fù)合材料的制造工藝

本文將以航天光學(xué)遙感器為例，根據(jù)其復(fù)合材料制造工藝，分析3D打印技術(shù)生產(chǎn)制造熱固性復(fù)合材料的可行性。在航天光學(xué)遙感器中，其相機(jī)支架、相機(jī)鏡筒以及遮光罩等部位均會(huì)應(yīng)用到熱固性復(fù)合材料。但是在實(shí)際的3D打印過程中，由于熱固性復(fù)合材料的制造工藝特點(diǎn)，使其難以進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)。

熱固性復(fù)合材料的制造工藝要求：①因?yàn)闊峁绦詮?fù)合材料所有的樹脂為熱固性樹脂，需要對(duì)其進(jìn)行固化，確保樹脂能夠形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀交聯(lián)聚合物；②預(yù)浸料疊層坯體的內(nèi)部十分松散，需要在加熱的同時(shí)，向其施加一定的壓力，將坯體內(nèi)部的空氣和小分子排除掉，以此提升復(fù)合材料的致密性，確保其具備優(yōu)異的性能；③在實(shí)際的預(yù)浸料鋪層設(shè)計(jì)的過程中，需要進(jìn)行多個(gè)平面或者部位的連續(xù)鋪層，比如，保障鏡筒筒體和強(qiáng)筋之間的連續(xù)、保障鏡筒筒體和法蘭環(huán)之間的連續(xù)等?；谏鲜鲋圃旃に囈?，傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，需要進(jìn)行相應(yīng)的創(chuàng)新。

3.2 熱固性復(fù)合材料的3D打印

通過上述分析可知，3D打印技術(shù)在復(fù)合材料制造中的應(yīng)用主要是以短纖維或者熱塑性復(fù)合材料作為主體，所用的材料和設(shè)備具備顯著的商業(yè)化特征。但是在實(shí)際的航天復(fù)合材料應(yīng)用過程中，需要應(yīng)用到熱固性復(fù)合材料，而3D打印技術(shù)僅能夠在實(shí)驗(yàn)室完成該材料的制造，并不能投入生產(chǎn)。因此，3D打印技術(shù)需要進(jìn)行創(chuàng)新改革，實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的制造。在航天用樹脂基復(fù)合材料的制造過程中，3D打印技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。

a）開發(fā)應(yīng)用具備適應(yīng)性的打印材料。在應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行航天用樹脂基復(fù)合材料的生產(chǎn)制造過程中，需要選擇具備一定粘度、流動(dòng)性，而且操作時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，成型時(shí)間相對(duì)較短的打印材料。在這種制造要求下，需要進(jìn)行航天復(fù)合材料體系的適應(yīng)性開發(fā)，通過材料體系的創(chuàng)新發(fā)展，為3D打印技術(shù)提供豐富的制造材料。

b）實(shí)現(xiàn)多維連續(xù)打印。在未來的3D打印技術(shù)應(yīng)用過程中，需要解決復(fù)合材料3D打印設(shè)備存在的多維方向連續(xù)堆積問題。通過五軸或者六軸聯(lián)動(dòng)打印平臺(tái)的應(yīng)用，利用平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多維連續(xù)打印，這樣才能夠滿足航天復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品對(duì)復(fù)合材料的需求，實(shí)現(xiàn)多個(gè)平面與部位連續(xù)鋪層。

c）豐富預(yù)壓實(shí)功能。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，熱固性樹脂基復(fù)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(shù)之后，再在打印設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行坯體的預(yù)壓實(shí)及加熱，確保材料在打印過程中也具備較強(qiáng)的致密性。需要注意的是，在打印完成之后，需要將坯體轉(zhuǎn)移到固化設(shè)備中，對(duì)其進(jìn)行最終固化處理[4]。

綜上所述，在復(fù)合材料的制造過程中，3D打印技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，值得推廣應(yīng)用。通過本文的分析可知，3D打印技術(shù)能夠用于熱塑性短切纖維、連續(xù)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(guī)?；a(chǎn)，需要技術(shù)人員進(jìn)行3D打印技術(shù)的創(chuàng)新改革，進(jìn)一步完善3D打印技術(shù)的復(fù)合材料制造工藝，為航空航天發(fā)展提供成本低廉、性能優(yōu)異的復(fù)合材料。希望本文的分析可以為相關(guān)研究提供理論參考。