熔融沉積制造材料的空間應(yīng)用實驗

王 震 李敬洋 張建超 祁俊峰

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

0 引言

空間站的建設(shè)為空間科學(xué)實驗和應(yīng)用研究提供了技術(shù)平臺，然而傳統(tǒng)的地面制造及上行的空間補給方式成本較高［1］。同時受目前火箭運載能力的影響，上行補給的貨物尺寸和結(jié)構(gòu)質(zhì)量非常有限，難以支撐大規(guī)模地開展空間艙外實驗和地外行星探索等實驗任務(wù)。增材制造的模式為實現(xiàn)空間資源原位應(yīng)用提供了新的技術(shù)途徑，該技術(shù)在空間的成功應(yīng)用將大大減少空間任務(wù)對地面補給的依賴。NASA 與Made In Space 公司在國際空間站成功打印出扳手等幾十種零件［2-4］，開啟了Fused Deposition Modeling（FDM）技術(shù)空間應(yīng)用的序幕，但所使用的Acrylonitrile Butadiene Styrene（ABS）材料對空間站內(nèi)環(huán)境友好性較差。中國科學(xué)院研制的國內(nèi)首臺空間FDM 設(shè)備在法國波爾多成功完成拋物線失重飛行試驗［1］，其所使用的聚乳酸（PLA）材料軟化溫度僅55 ℃，難以適用于空間站外高低溫環(huán)境。同時，空間微重力、高真空、高輻照等極端環(huán)境對材料的要求更為苛刻［5］。因此，開展FDM 地面環(huán)境試驗，研究不同材料的FDM 成形工藝，實現(xiàn)高性能、耐輻照、空間環(huán)境友好材料的在軌打印，將有效降低空間站運行成本，為開展空間艙外實驗和地外行星探索提供地外支撐平臺。本文主要開展聚乳酸（PLA）、聚碳酸酯（PC）、聚醚醚酮（PEEK）及纖維增強PLA 材料的工藝實驗研究及空間應(yīng)用所必須的性能測試，擬為FDM技術(shù)的空間應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 實驗

1.1 設(shè)備

選用自主研發(fā)的空間微重力原理樣機，參照GB/T1040—2006、GB/T9341—2008打印了PLA、PC、PEEK 材料的標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)試樣，參照GB/T3354—1999打印了CF/PLA 復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)試樣。力學(xué)性能測試在5567 萬能試驗機上進行，環(huán)境試驗分別在相應(yīng)的空間模擬環(huán)境條件下進行。

1.2 打印參數(shù)

為避免其他因素對研究結(jié)果的影響，保持同種材料同批試樣的打印參數(shù)一致。各材料FDM 成形的主要參數(shù)見表1。

表1 各材料主要成形參數(shù)Tab.1 Main forming parameters of each material

2 打印效果分析

2.1 FDM成形試樣質(zhì)量

圖1為打印的標(biāo)準(zhǔn)拉伸性能測試試樣。從外觀質(zhì)量來看，F(xiàn)DM 成形的PLA 和PC 試樣表面質(zhì)量最好，PEEK 材料的試樣上表面紋路過于明顯，CF/PLA復(fù)合材料的試樣表面有纖維脫絲現(xiàn)象，外觀質(zhì)量最差。對試樣尺寸測量發(fā)現(xiàn)，PLA 試樣精度最高，150 mm 范圍內(nèi)尺寸偏差在±0.1 mm，PC 試樣由于材料收縮的影響，試樣尺寸偏差在-0.2～-0.15 mm，由于PEEK 屬于半結(jié)晶材料，F(xiàn)DM 成形后尺寸不易控制，試樣尺寸偏差0.15～0.30 mm，CF/PLA 試樣精度最差，尺寸偏差達到0.5 mm。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣實物圖Fig.1 Physical drawing of standard samples

利用排水法分別對PLA、PC、PEEK 三種材料的FDM 試樣密度進行測量，測得結(jié)果與注塑件密度相比發(fā)現(xiàn)，三種材料的FDM 制件密度比同種材料注塑件的密度低，普遍低約0.05 g/cm3，具體數(shù)據(jù)見表2。以注塑件密度作為材料的標(biāo)準(zhǔn)密度，計算得出PLA材料的孔隙率為4.8%，PC 材料的孔隙率為4.2%，PEEK材料的孔隙率為4.6%。

表2 FDM和注塑成形試樣密度對比Tab.2 Comparison of density between FDM and injection samples

2.2 FDM試樣性能

表3為三種材料FDM 和注塑試樣的拉伸及彎曲強度?？梢钥闯觯現(xiàn)DM 試樣的強度普遍低于注塑件，F(xiàn)DM 成形的PLA 試樣拉伸強度達到注塑件的91%，PEEK 材料試樣的拉伸強度僅達到注塑件的72%，三種材料FDM 試樣的彎曲強度均到達同種材料注塑件的82%以上，其中PLA 材料FDM 試樣的彎曲強度達到注塑件的85.3%。

表3 FDM和注塑成形試樣的拉伸強度、彎曲強度對比Tab.3 Comparison of tensile strength，bending strength between FDM and injection samples

表2數(shù)據(jù)表明三種材料中PLA 材料的FDM 試樣致密度最差，而表3數(shù)據(jù)顯示PLA 材料在FDM 這種成形方式中力學(xué)性能的保持率最高，這說明致密度并不是影響FDM 成形件性能的唯一因素，成形過程及材料特性都是影響FDM 試樣性能的重要因素。FDM 成形過程是材料熔融沉積的過程［6］，試樣內(nèi)部層與層之間、同一層內(nèi)部相鄰打印路徑之間的結(jié)合強度，以及成形過程中材料的結(jié)晶度都是影響FDM成形性能的關(guān)鍵因素。其中結(jié)晶度是影響PEEK 材料性能的主要因素，結(jié)晶度越高，制件性能越好［7］。注塑成形過程中，允許PEEK 材料結(jié)晶的溫度持續(xù)時間比較長，結(jié)晶更為充分，而FDM 成形過程中環(huán)境溫度僅達到100 ℃，低于PEEK 的Tg（143 ℃），材料在從高溫噴嘴擠出到冷卻成形的過程中不能夠完全結(jié)晶，導(dǎo)致制件性能較差，在后處理過程中，可將制件溫度重新加熱到Tg之上并保溫一定時間來提高其性能。

2.3 碳纖維增強PLA單向板性能

復(fù)合材料單向板在成形過程中，連續(xù)的碳纖維絲材依靠熔融的PLA 材料凝固粘接在一起，其成形示意圖如圖2所示。在拉伸性能測試時，按照單向板拉伸試驗方向與碳纖維方向的夾角大小，將單向板分為0°、45°、90°三類。0°板纖維方向和拉伸方向一致，可以依靠碳纖維強度抵抗拉伸變形，而45°和90°板則只能依靠纖維之間PLA的粘接強度。

圖2 CF/PLA單向板成形過程示意圖Fig.2 Schematic of CF/PLA laminates forming process

表4為CF/PLA 復(fù)合材料單向板拉伸強度和模量的對比圖。

表4 單向板拉伸性能對比Tab.4 Comparison of tensile properties

可以看出，45°和90°板試樣性能相差不大，但遠(yuǎn)低于0°板試樣的拉伸性能，表明FDM 制造的CF/PLA復(fù)合材料試樣具有明顯的各向異性，纖維方向和拉伸方向一致時單向板抗拉性能最好。

表4中45°和90°板試樣的拉伸強度明顯比表3中純PLA 試樣的拉伸強度低，分析其原因為CF 和PLA 兩種材料之間的結(jié)合強度低于PLA 材料自身，表明異種材料間的界面結(jié)合性能是影響復(fù)合材料FDM 成形性能的重要因素，通過合理優(yōu)化打印溫度、打印層高、打印速度以及打印步距等參數(shù)可以提高碳纖維和PLA 材料的結(jié)合強度［8］，從而提高FDM 制件性能。

3 空間環(huán)境實驗驗證

3.1 燃燒性能測試與評價

參照GB/T2408—2008《塑料燃燒性能的測定水平和垂直法》，測得PLA、PC 水平燃燒性能為HB40級；PEEK 阻燃性優(yōu)良，有自熄性，不加阻燃劑達UL94V-1級，加阻燃劑后可達UL-94V-0級，低發(fā)煙。PLA、PC具體測試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 PLA和PC水平燃燒實驗數(shù)據(jù)Tab.5 Experimental data of PLA and PC horizontal combustion

3.2 燃燒產(chǎn)生毒性氣體測試與評價

燃燒產(chǎn)物測定參照HB6577—1992《民用飛機機艙內(nèi)部非金屬材料煙密度實驗方法》和HB7066—1994《民機機艙內(nèi)部非技術(shù)材料燃燒產(chǎn)生毒性氣體測定》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行測試，測得PLA 燃燒后氣體濃度如表6所示。

表6 PLA燃燒后氣體濃度1）Tab.6 The gas concentration of PLA after combustion

PLA樣品中CO濃度為217×10-6，NOX 為2.8×10-6，未檢測到SO2、HCN、HF 及HCl 等有毒氣體；PC聚碳酸酯是無毒、無味透明的熱塑性工程塑料，可做食品級用塑料，結(jié)構(gòu)中沒有S、N、CN、F、Cl，所以燃燒時不會出現(xiàn)SO2、HCN、HF、及HCl等氣體；PEEK 聚醚醚酮，氧指數(shù)較高，燃燒時發(fā)煙量少且無毒，結(jié)構(gòu)中沒有S、N、CN、F、Cl，所以燃燒時不會出現(xiàn)SO2、HCN、HF及HCl等氣體。

3.3 揮發(fā)性能測試與評價

參照QJ 1558B—2016《真空條件下材料的揮發(fā)性測試方法》對PLA、PC、PEEK 材料進行真空出氣、可凝揮發(fā)性能的評價，具體測試數(shù)據(jù)如表7所示，其中WVR 為水汽回吸量，數(shù)據(jù)表明PLA、PC、PEEK 材料均滿足空間站內(nèi)環(huán)境要求的總質(zhì)量損失（TML）小于1%、凝揮發(fā)物（CVCM）小于0.1%的要求。

表7 幾種材料的揮發(fā)性數(shù)據(jù)Tab.7 Data of several materials for volatility

4 結(jié)論

（1）力學(xué)性能測試結(jié)果表明：FDM 成形質(zhì)量與材料的收縮率、是否結(jié)晶等有關(guān)；FDM 成形件性能要比注塑件的低；純樹脂材料FDM 成形性能主要與材料自身的結(jié)合強度、結(jié)晶度有關(guān)，復(fù)合材料FDM 成形性能主要受異種材料間結(jié)合強度的影響。因此，在空間應(yīng)用研究過程中，提高材料間的結(jié)合強度來保證FDM制造性能是今后的重點研究方向之一。

（2）空間環(huán)境實驗結(jié)果表明：PEEK 力學(xué)性能好、空間環(huán)境友好性好，可做為空間站內(nèi)結(jié)構(gòu)、功能材料廣泛使用；PC 材料無毒、真空出氣和可凝揮發(fā)性低，可做為空間站內(nèi)一定環(huán)境溫度下的功能器件以及餐具等食品級塑料使用；PLA 材料是綠色無污染材料，但由于強度較低、真空出氣和可凝揮發(fā)性略高，可以用做空間站內(nèi)密封試驗環(huán)境下的非承力結(jié)構(gòu)、應(yīng)急替換零部件材料或宇航員用一次性工具材料使用。