三維打印與真空輔助融合的復(fù)合材料成型探索

欒叢叢， 王振威， 沈洪垚，c， 傅建中，c

（浙江大學(xué)a.工程訓(xùn)練（金工）中心，杭州310058；b.機(jī)械工程學(xué)院，浙江省三維打印工藝與裝備重點(diǎn)實驗室，杭州310027；c.流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室，杭州310027）

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，復(fù)合材料在日常生活與國防工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用日益增加，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜［1-2］。而復(fù)合材料成型工藝是復(fù)合材料得以廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)，對復(fù)合材料最終性能具有重要影響。目前常見復(fù)合材料成型工藝主要包括手糊成型［3］、真空輔助成型［4］、纏繞成型［5］、拉擠成型［6］等，每種工藝都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同性能與批量的產(chǎn)品制造。真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝因其成本低、污染小、效率高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用［7］。

模具是真空輔助樹脂傳遞模塑成型過程的必需工藝裝備，決定著最終成型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度及表面質(zhì)量［8］。而當(dāng)前眾多復(fù)合材料成型模具尚處于經(jīng)驗設(shè)計階段，依賴于設(shè)計人員所掌握的知識和經(jīng)驗，嚴(yán)重制約了成型模具的設(shè)計效率，極大延長了產(chǎn)品的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期［9］。模具的快速設(shè)計制造是提高復(fù)合材料成型工藝生產(chǎn)效率的一大關(guān)鍵舉措，而數(shù)字化設(shè)計和快速制造是決定模具制造周期和成本的兩大核心技術(shù)［10］。探索開發(fā)模具快速設(shè)計制造與真空輔助融合的復(fù)合材料成型工藝對于提高復(fù)合材料生產(chǎn)效率具有重要意義。

蓬勃發(fā)展的三維打印技術(shù)融合數(shù)字化設(shè)計方法，可實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速制造，為復(fù)合材料構(gòu)件成型模具的快速設(shè)計制造提供了一種可行的技術(shù)手段。三維打印技術(shù)以CAD數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用材料逐層疊加的方法實現(xiàn)實體零件的直接制造［11］，在隨形冷卻注塑模具［12］、構(gòu)件鑄型［13］、射孔模具［14］等方面逐步展開應(yīng)用。目前較為成熟的用于模具直接制造的三維打印技術(shù)主要包括選擇性激光燒結(jié)、選擇性激光融化、電子束選區(qū)融化等［15］，但上述技術(shù)具有投資高、專業(yè)性強(qiáng)等特點(diǎn)，不適合高校內(nèi)大范圍的本科生教學(xué)實訓(xùn)。

作為低成本、易操作的熔融層積成型技術(shù)在復(fù)合材料成型模具中的應(yīng)用鮮有報道，本文探索嘗試將熔融層積成型技術(shù)運(yùn)用到復(fù)合材料構(gòu)件成型模具的設(shè)計制造，并與真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝結(jié)合，開發(fā)三維打印與真空輔助融合的復(fù)合材料成型實驗具有重要的工程應(yīng)用價值和實踐教學(xué)意義。

1 工藝流程

三維打印與真空輔助融合的復(fù)合材料成型整個工藝流程如圖1所示，主要包括基于三維打印的模具設(shè)計制造一體化過程和纖維復(fù)合材料真空輔助成型過程，前者主要實現(xiàn)模具的快速設(shè)計制造；而后者主要實現(xiàn)纖維復(fù)合材料構(gòu)件的成型。

圖1 三維打印與真空輔助融合的復(fù)合材料成型工藝流程

1.1 設(shè)計制造一體化過程

（1）模具設(shè)計。采用三維建模軟件（如SolidWorks、CATIA、UG）構(gòu)建成型模具數(shù)字化三維模型，更進(jìn)一步地，可結(jié)合復(fù)合材料工藝仿真軟件（如PAM-RTM）對模具表面或內(nèi)部的流道進(jìn)行優(yōu)化再設(shè)計。

（2）模具制造。將設(shè)計好的三維模型轉(zhuǎn)化成三維打印設(shè)備可識別的控制代碼（如G代碼），并傳輸給打印設(shè)備，實現(xiàn)模具的快速制造。

1.2 纖維復(fù)合材料真空輔助成型過程

（1）材料準(zhǔn)備。包括纖維增強(qiáng)體（如碳纖維束/布、玻璃纖維束/布）、樹脂膠（如環(huán)氧樹脂+固化劑）；脫模布、脫模劑、導(dǎo)流網(wǎng)、真空膜、真空泵、密封膠帶等。

（2）材料鋪放。按照一定的順序?qū)⒚芊饽z帶、脫模劑、纖維增強(qiáng)體、脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)等鋪放在模具表面。

（3）封裝和抽真空。將真空袋覆蓋已鋪放的材料表面，形成真空環(huán)境并用真空泵檢查氣密性。

（4）注膠和固化。通過真空泵將樹脂液通過模具中的流道導(dǎo)入復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部，隨后進(jìn)行固化。

（5）脫模和修整。將前述帶有模具的已固化好的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件中的模具移除，并進(jìn)一步修整獲得最終所需結(jié)構(gòu)。

2 實驗驗證

以熔融沉積成型三維打印工藝為例，采用連續(xù)碳纖維束與碳纖維布為增強(qiáng)體材料、雙組分環(huán)氧樹脂膠為復(fù)合材料基體材料、聚乳酸為模具材料，設(shè)計制造碳纖維復(fù)合材料殼體進(jìn)行所提出方案可行性驗證。

2.1 芯模一體化設(shè)計制造

采用三維設(shè)計軟件Solidworks設(shè)計如圖2所示的芯模。芯模直徑d1=50.0 mm，厚度t=3.0 mm，高度h=80.0 mm，流道直徑d2=4.0 mm。

圖2 芯模結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計（mm）

將設(shè)計好的芯模導(dǎo)出STL格式文件并采用三維切片軟件Cura進(jìn)行切片生成打印機(jī)可識別的G代碼，將G代碼傳輸給打印機(jī)實現(xiàn)芯模的制造，具體過程如圖3所示。

圖3 從數(shù)字化設(shè)計模型到實體三維打印過程

打印工藝參數(shù)對結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能具有重要影響，考慮真空輔助成型對氣密性要求，而三維打印層層疊加的特性可能因?qū)娱g界面黏結(jié)不足而導(dǎo)致氣密性下降，實驗中通過增加結(jié)構(gòu)件壁厚與填充率的方法確保滿足真空氣密性要求。具體打印工藝參數(shù)：壁厚1.0 mm，層高0.2 mm，填充率100%，打印速度50 mm/s，打印溫度200℃。采用上述參數(shù)制造的芯模見圖4。

圖4 三維打印芯模制造結(jié)果

2.2 纖維復(fù)合材料真空輔助成型

根據(jù)芯模尺寸裁剪合適尺寸的碳纖維布、脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)等材料；以環(huán)氧樹脂與固化劑比例1∶1配置環(huán)氧樹脂膠；將打印好的芯模表面進(jìn)行打磨并涂敷凡士林，并將裁剪好的碳纖維布、脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)等依次鋪放在模具表面，最后包覆真空膜；將塑料軟管分別與芯模的入膠口和出膠口連接，其中與出膠口連接的塑料軟管另一端與樹脂收集器連接，樹脂收集器通過另一塑料軟管與真空泵連接。采用扳機(jī)式快速夾夾緊與芯模入膠口連接的塑料軟管的另一端，開啟真空泵進(jìn)行氣密性檢查。確認(rèn)密封性完好后取下扳機(jī)式快速夾并將塑料軟管與環(huán)氧樹脂膠連接，再次啟動真空泵進(jìn)行注膠直至整個碳纖維布被環(huán)氧樹脂膠浸潤；重新將扳機(jī)式快速夾夾緊與入膠口連接的塑料軟管以及與出膠口連接的塑料管，進(jìn)行常溫固化。實驗裝置如圖5所示。

圖5 纖維復(fù)合材料真空輔助成型系統(tǒng)

將固化好的成型構(gòu)件芯模去除，獲得所需的纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如圖6所示分別為單向連續(xù)碳纖維絲增強(qiáng)結(jié)構(gòu)與碳纖維布增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)均具有良好的成型效果，均可實現(xiàn)良好的浸潤，沒有出現(xiàn)未浸潤區(qū)。

圖6 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件

3 結(jié) 語

三維打印為復(fù)合材料成型模具的高效準(zhǔn)備提供了可行思路，采用數(shù)字化設(shè)計與三維打印增材制造相結(jié)合的方法，可顯著提高復(fù)合材料成型模具的開發(fā)效率，縮短模具準(zhǔn)備周期，特別是在小批量、個性化復(fù)合材料構(gòu)件制備方面具有突出的優(yōu)勢。提出了三維打印與真空輔助融合的復(fù)合材料成型工藝，并以單向連續(xù)碳纖維絲與碳纖維布為增強(qiáng)材料、雙組分環(huán)氧樹脂膠為基體進(jìn)行實驗驗證，結(jié)果表明所提方法具有良好的可行性。未來將嘗試把三維打印與真空輔助融合的復(fù)合材料成型實驗推廣至學(xué)生實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維與工程化能力。