（西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054）

復(fù)合材料因其具有高比強(qiáng)度、高比模量、可設(shè)計(jì)強(qiáng)及多功能融合（如吸波和隔熱）等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)40年代問世以來被深入研究，并被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域[1]。復(fù)合材料根據(jù)基體材料的不同，可以分為樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。樹脂基復(fù)合材料密度小，比模量和比強(qiáng)度高[2]，在復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的最為廣泛，它能極大減少制件的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，是火箭、衛(wèi)星、飛機(jī)等航天航空飛行器的理想材料，具有廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)是一種先進(jìn)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)理念，它充分利用材料特征和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)制件的性能最佳[5-7]。常見的結(jié)構(gòu)形式有夾層結(jié)構(gòu)[8-9]、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)[10-11]和仿生結(jié)構(gòu)[12-13]等，如圖 1 所示[6，14]。

傳統(tǒng)樹脂基復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的制造過程主要包括3個(gè)步驟：首先是通過沉積法、浸漬法等工藝制備預(yù)浸料[15]；然后通過鋪放成形、拉擠成形、纏繞成形等工藝制造簡(jiǎn)單形狀復(fù)合材料制件[16]；最后通過機(jī)加工、裝配、膠結(jié)等工藝制備出復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖1 輕質(zhì)結(jié)構(gòu)Fig.1 Lightweight structure

Shi等[9]通過在面板和芯材之間添加一層芳綸纖維復(fù)合材料改善剛性面板與柔性蜂窩結(jié)構(gòu)的界面結(jié)合，其制備過程需要經(jīng)過纖維的預(yù)處理、鋁蜂窩芯材和鋁制加強(qiáng)網(wǎng)格的機(jī)加工和裝配，最后利用模具加壓加熱處理，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備；Finnegan等[8]利用水射流切割工藝制造出相對(duì)密度1%～10%的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料錐形桁架芯材，先利用水射流切割加工制備纖維復(fù)合材料支架，然后裝配出聯(lián)鎖的芯材結(jié)構(gòu)，隨著相對(duì)密度的增加，抗壓強(qiáng)度達(dá)到11MPa，力學(xué)性能較好，但其制造過程復(fù)雜；Wu等[17]提出了利用熱壓工藝在模具上制備單向連續(xù)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂波紋板，然后利用機(jī)加工、聯(lián)鎖裝配工藝制造復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，最大限度發(fā)揮了纖維的承載能力，平壓強(qiáng)度達(dá)到12.44MPa，剪切強(qiáng)度達(dá)到1.91MPa；Jishi等[11]利用真空輔助樹脂傳遞模塑成形工藝實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂桁架輕質(zhì)結(jié)構(gòu)無模具制造；Schneider等[18]研究了基于折彎、切槽、膠結(jié)等工藝的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)制造方法；Yin等[19]利用熱膨脹成形技術(shù)裝配出多層級(jí)復(fù)合輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。

綜上分析，傳統(tǒng)樹脂基復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的成形工藝存在以下缺點(diǎn)：制造工藝復(fù)雜，需要二次加工，生產(chǎn)周期長(zhǎng)；傳統(tǒng)的復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)制造大多需要模具，成本較高；傳統(tǒng)的制造工藝需要膠結(jié)或裝配等工序，制件的復(fù)雜度有限，大大限制了復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

3D打印技術(shù)憑借其可以成形任意復(fù)雜形狀的特點(diǎn)，近年來成為研究熱點(diǎn)。它采用層層疊加的原理，每一層按照規(guī)劃的軌跡增加材料，最終實(shí)現(xiàn)制件的快速制造[20]。3D打印具有成本低、材料利用率高、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。隨著連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印工藝的出現(xiàn)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制件的一體化快速制造成為可能，為復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的低成本快速制造提供了一個(gè)有效的技術(shù)途徑[12，21]。

本文對(duì)樹脂基復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)3D打印工藝及其應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述分析，并首次提出采用連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印工藝，進(jìn)行復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的一體化制造。在連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印的研究基礎(chǔ)上[22-23]，通過路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)纖維走向的可控排布，進(jìn)行高性能樹脂基復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的快速制造。

樹脂基復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)3D打印

樹脂基復(fù)合材料3D打印工藝[24-26]為高性能復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的低成本快速制造提供了技術(shù)支撐，使復(fù)雜的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)形式得以制造，拓展了輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)一步擴(kuò)大了復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。目前關(guān)于樹脂基復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)3D打印的研究比較少。

圖2 擠出3D打印工藝制作纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)Fig.2 Fabrication of fiber reinforced composite lightweight structure by extrusion 3D printing process

美國(guó)哈佛大學(xué)開發(fā)了適用于3D打印的碳化硅晶須和短切碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂“墨水”[27]，利用擠出3D打印工藝制作復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖2），然后將打印的制件進(jìn)行加熱固化。該團(tuán)隊(duì)還研究了噴嘴直徑和纖維長(zhǎng)徑比對(duì)打印纖維方向的影響，通過對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)和纖維尺寸的控制，實(shí)現(xiàn)纖維方向的可控排布，提高制件整體的承載能力，制造出了多種復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，并對(duì)制備的三角蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能分析，隨著相對(duì)密度從18%增加到38%，抗壓強(qiáng)度從3MPa提高到18MPa。

德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院利用立體光固化3D打印工藝（SL）制造微觀尺度的樹脂輕質(zhì)結(jié)構(gòu)[28]，然后利用原子層沉積工藝（ALD）在已成型的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)表面鍍氧化鋁（Al2O3），制備出微觀復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖3），輕質(zhì)樹脂材料可以提高制件的韌性，氧化鋁可以承載拉力和壓力，在密度為810kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到280MPa，力學(xué)性能優(yōu)異。

圖3 微觀復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)Fig.3 Micro composite lightweight structure

蜘蛛網(wǎng)是典型的高性能復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)材料-結(jié)構(gòu)-功能高度集成的多材料、多功能系統(tǒng)，具有破壞局域、振動(dòng)傳感、自我保護(hù)等多重功能[29-30]。哈佛大學(xué)Lewis教授團(tuán)隊(duì)首次采用3D打印工藝以彈性材料PDMS作為原材料，進(jìn)行仿生蛛網(wǎng)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的制造，并對(duì)材料分布和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)蛛網(wǎng)性能的影響規(guī)律開展了系統(tǒng)研究[31]。該團(tuán)隊(duì)使用純PDMS材料進(jìn)行蛛網(wǎng)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)研究，其研究成果可以被拓展應(yīng)用于仿生復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與性能研究。

與此同時(shí)，前沿3D打印工藝和結(jié)構(gòu)性能研究可以為高性能復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)研究提供借鑒。哈爾濱工業(yè)大學(xué)李惠教授團(tuán)隊(duì)利用分子氧石墨烯與水的混合物作為“墨水”，采用“依需滴落”3D打印方式制造出超輕的石墨烯氣凝膠支架[32]，如圖4所示。美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究出一種單位體密度下能幾乎保持恒定剛度的微觀結(jié)構(gòu)[6]，如圖5所示，并利用3D打印工藝和ALD工藝制備出該類結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果表明該類結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的超輕質(zhì)超剛度性能。

通過以上的綜述分析可知，目前樹脂基復(fù)合材料3D打印的研究非常少，且大多針對(duì)微納尺度輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和制造工藝進(jìn)行研究，所采用的基體材料為熱固性樹脂，熱固性樹脂材料硬度高，但韌性和抗沖擊性能較差，而且難以回收利用，不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的綠色制造要求；另外，微納尺度的復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)3D打印工藝雖然可以制造出性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)形式，但其成形時(shí)間長(zhǎng)、成本高，難以實(shí)現(xiàn)宏觀尺度結(jié)構(gòu)件的制造，不能滿足航天航空、汽車等領(lǐng)域大型制件的需求。熱塑性樹脂具有韌性好、比重輕、易成形和易回收等優(yōu)點(diǎn)[33]，可以制造耐沖擊性輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有熱塑性復(fù)合材料3D打印工藝主要分為短纖維增強(qiáng)和連續(xù)纖維增強(qiáng)兩類，短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印工藝[24]相對(duì)較成熟，已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但短纖維對(duì)制件的力學(xué)性能提升有限；連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的性能較高，是未來的發(fā)展方向。

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)3D打印工藝與性能

圖4 石墨烯3D打印Fig.4 3D Printing of graphene aerogels

本文提出了基于連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印工藝的高性能復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)一體化制造方法。前期研究表明，可采用3D打印工藝實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的快速制造，其工藝原理[21]見圖6。通過工藝參數(shù)優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料制件的性能可控制造[22]，同時(shí)可利用3D打印纖維的有序分布，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料制件的回收再制造[34]。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中纖維走向?qū)ζ湫阅苡泻艽蟮挠绊?，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印工藝為纖維走向的精確可控提供了實(shí)現(xiàn)手段，因此如何進(jìn)行輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)和內(nèi)部連續(xù)纖維走向設(shè)計(jì)，控制纖維的打印軌跡，是實(shí)現(xiàn)高性能連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材輕質(zhì)結(jié)構(gòu)一體化制造的關(guān)鍵。

1 輕質(zhì)結(jié)構(gòu)及其路徑規(guī)劃

圖5 恒剛度微觀結(jié)構(gòu)Fig.5 Constant stiffness microarchitected

圖6 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料3D打印工藝原理圖Fig.6 Schematic representation of continuous fiber reinforced composite 3D printing process

輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)最常見的失效形式是面板與芯材剝離。為了提高輕質(zhì)結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能，解決復(fù)雜形狀輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的成形問題，本文基于連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印工藝，提出了復(fù)雜芯材一體化成形方法和面板-芯材集成制造策略。利用熱塑性樹脂加熱熔融、冷卻固化特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“十字交叉”復(fù)合材料結(jié)構(gòu)搭接方法，見圖7，在路徑規(guī)劃時(shí)，先執(zhí)行路徑2，然后打印噴頭沿路徑3進(jìn)行交叉搭接，噴頭經(jīng)過搭接處時(shí)，搭接處樹脂被加熱熔融，噴頭內(nèi)擠出的絲材與其粘接固化，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀芯材的一體化成形，打印過程見圖8；采用內(nèi)嵌搭接方法實(shí)現(xiàn)面板與芯材的結(jié)構(gòu)集成制造，使芯材與面板緊密咬合，精確控制打印路徑，保證芯材路徑不超出面板范圍，實(shí)現(xiàn)面板-芯材、十字交叉結(jié)構(gòu)的平滑搭接與過渡，見圖7（b）。

圖7 打印路徑規(guī)劃Fig.7 Printing path planning

圖8 打印過程Fig.8 Printing process

圖9 樣條波紋構(gòu)型的輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)Fig.9 Spline corrugated-cores sandwich structure

2 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)制備與性能

本文設(shè)計(jì)并制備了樣條波紋構(gòu)型的輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)，如圖9所示。樣件尺寸為 60×60×15（mm），其中上、下面板的厚度為1mm，波紋厚度為1mm；采用聚乳酸（PLA）作為復(fù)合材料的熱塑性基體材料，芳綸纖維（杜邦-凱夫拉145dtex，美國(guó)杜邦公司）作為增強(qiáng)纖維進(jìn)行輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)的制備，其中聚乳酸的密度為1240kg/m3，芳綸纖維的密度為1440kg/m3；樣件制備的工藝參數(shù)：噴頭溫度為210℃，打印速度為100mm/min，分層厚度為0.4mm。力學(xué)試驗(yàn)采用SANS公司的萬能靜力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。

圖10 樣條波紋結(jié)構(gòu)在平壓作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.10 Stress-strain curve of spline corrugated-cores sandwich structure under the condition of flat compression

圖11 抗壓性能對(duì)比Fig.11 Comparison of compressive properties

本文對(duì)樣條波紋構(gòu)型夾層結(jié)構(gòu)的平壓性能進(jìn)行了分析，通過平壓力學(xué)試驗(yàn)，得到了夾層結(jié)構(gòu)對(duì)平壓的力-位移響應(yīng)曲線，將其轉(zhuǎn)換為應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖10所示；研究了樣條間距對(duì)夾層結(jié)構(gòu)平壓性能的影響，當(dāng)波紋間距為13mm時(shí)，芯子密度為300kg/m3，抗壓強(qiáng)度達(dá)到 7.5MPa，與傳統(tǒng)方式制備的波紋結(jié)構(gòu)相比[35-36]（圖11），其抗壓性能高于鋁合金三角波紋夾層結(jié)構(gòu)，略低于玻璃纖維增強(qiáng)三角波紋夾層結(jié)構(gòu)，這是由于本文試驗(yàn)所采用的復(fù)合材料纖維含量較低，實(shí)體部位的纖維體積含量?jī)H為2.5%左右，隨著纖維含量的提升，整體力學(xué)性能將大幅提高；樣條波紋構(gòu)型夾層結(jié)構(gòu)的失效形式為樣條波紋失穩(wěn)屈曲，當(dāng)夾層結(jié)構(gòu)屈服后，持續(xù)施加壓力，可以看到樣條波紋受到擠壓被折斷破壞，如圖12所示，十字交叉處沒有出現(xiàn)破壞，芯材與面板結(jié)合緊密未發(fā)生剝離現(xiàn)象。采用上述工藝方法，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀共形輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造，如圖13所示，這將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)復(fù)雜輕質(zhì)結(jié)構(gòu)制件的一體化成形與應(yīng)用。相關(guān)工藝優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作仍在進(jìn)行中。

結(jié)束語

圖12 樣條波紋結(jié)構(gòu)的破壞形式Fig.12 Failure form of spline corrugatedcores sandwich structure

圖13 曲面輕質(zhì)夾心結(jié)構(gòu)Fig.13 Curved lightweight sandwich structure

本文對(duì)3D打印工藝在復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用研究進(jìn)行了綜述分析，分析了復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)3D打印現(xiàn)狀與局限性；在此基礎(chǔ)上，提出了基于連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印工藝的復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)一體化制造工藝；通過路徑規(guī)劃和工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜形狀復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的快速制造，拓展輕質(zhì)結(jié)構(gòu)形式。未來有望將其應(yīng)用于航空航天飛行器結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制造，加速航天航空飛行器升級(jí)換代的速度，提高航空航天飛行器的使用性能，擴(kuò)大復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。當(dāng)然，目前復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)3D打印工藝還存在一些如高性能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、復(fù)合材料的材料體系、路徑規(guī)劃算法等關(guān)鍵問題，仍有待進(jìn)一步深入研究。

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