3D打印技术在复合材料中的应用与发展

来源:用户上传      作者:党乐 张梦雨 成艳娜 闫超

　　摘 要：3D打印技术是一种先进的数字化技术，能够将计算机图形数据通过相应设备和材料转化为实体，从而缩短产品研制周期，提高生产率并降低生产成本，被广泛应用于建筑、医疗、军事、机械等各个领域。复合材料因其质量轻和性能好的特点在航空领域的占比越来越多，如何快速、精确成型复合材料构件也成为亟需解决的问题。该文阐述3D打印技术在复合材料生产过程中的优势，从原材料和设备出发，介绍3D打印技术的分类及工艺流程、在航空航天领域的应用现状，存在的技术难点、国内外研究进展，根据存在问题概括3D打印技术的发展趋势，探讨该技术未来在航空领域的应用前景。
　　关键词：复合材料;3D打印;航空航天;热固性材料;应用
　　中图分类号：TG706 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2022）24-0166-04
　　Abstract： 3D printing technology is an advanced digital technology， which can transform computer graphics data into entities through corresponding equipment and materials， so as to shorten the product development cycle， improve productivity and reduce production costs. It is widely used in construction， medical， military， machinery and other fields. Composite materials account for increasing proportions in the field of aviation because of their light weight and good performance. How to form composite components quickly and accurately has become an urgent problem to be solved. This paper expounds the advantages of 3D printing technology in the production process of composite materials， and introduces the classification and technological process of 3D printing technology， its application status in aerospace field， the existing technical difficulties and the research progress at home and abroad. According to the existing problems， the development trend of 3D printing technology is summarized， and the application prospect of 3D printing technology in aviation field in the future is discussed.
　　Keywords： composite materials; 3D printing; aerospace; thermosetting materials; application
　　随着对飞机减重和性能要求的提高，复合材料在航空飞行器中的应用越来越多，对复合材料成型技术也有了更多要求。传统的热压罐成型技术在工业生产中应用最广，已被大量应用于飞机的机身、机翼等结构部位。但热压罐成型技术仍具有一些无法解决的问题：①设备投资高，如热压罐、冷库、清洁间等;②工装设计制造和研制周期长;③仍存在产品变形、内部质量、表面质量等问题;④工装、材料、人工、质量成本高。
　　3D打印技术作为一种增材制造技术，与传统的减材技术不同，通过输入3D数字模型―离散为二维片层―材料连续叠层及固化的方式，成型复合材料。3D打印技术具有以下优点：①采用一w化成型技术，无需装配，在形状复杂的异形件制造中具有很大优势;②结构强度好，结构设计性强;③成本低、效率高，成型时不需制造特定模具，且自动化程度高。
　　在对复合材料需求越来越多，对产品性能、成本控制、生产周期要求越来越高的今天，3D打印技术能够很好地满足航空制造业的生产需求。因此，研究3D打印技术在航空产业的应用具有重要意义。
　　1 分类和基本工艺模型
　　1.1 3D打印分类
　　3D打印技术可根据其工作原理分为不同的类别，其中适用于航空复合材料制造的技术主要有定向能量沉积（DED）、选择性激光烧结（SLS）、材料挤出（ME）、立体光刻（SLA）、分层实体制造（LOM）、熔融沉积成型（FDM）[1]。其适用原材料、原理和特点见表1。
　　1.2 基本工艺流程
　　最常用的熔融沉积技术（FDM）和液体树脂光固化成型技术（SLA），常见的成型工艺一般要经过前处理、分层叠加成型和后处理三个阶段。先对待成型件进行建模，并对模型进行切分，再以积分的形式将切片堆积，从而形成所需制件，如图1所示[2]。
　　2 最新研究
　　2.1 原材料
　　在飞机零件制造中，金属材料3D打印在工业领域用途广泛，特别是钛合金材料。非金属材料的3D打印也在逐步发展，如高分子聚合物、聚乳酸等。材料特性直接决定成型产品的强度、刚度等力学性能[3]。一般3D打印技术的打印材料为PLA、PEEK和ABS等热塑性非金属材料。复合材料3D打印技术的纤维主要以短纤维材料为主，基体以热塑性材料为主，设备和材料实现了商业化。热固性树脂也实现了短切纤维增强复合材料的3D打印。

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