黨 樂，張夢雨，成艷娜，閆 超*

（1．海裝西安局，西安 710054；2.中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，西安 710089）

隨著對飛機(jī)減重和性能要求的提高，復(fù)合材料在航空飛行器中的應(yīng)用越來越多，對復(fù)合材料成型技術(shù)也有了更多要求。傳統(tǒng)的熱壓罐成型技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣，已被大量應(yīng)用于飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼等結(jié)構(gòu)部位。但熱壓罐成型技術(shù)仍具有一些無法解決的問題：①設(shè)備投資高，如熱壓罐、冷庫、清潔間等；②工裝設(shè)計(jì)制造和研制周期長；③仍存在產(chǎn)品變形、內(nèi)部質(zhì)量、表面質(zhì)量等問題；④工裝、材料、人工、質(zhì)量成本高。

3D 打印技術(shù)作為一種增材制造技術(shù)，與傳統(tǒng)的減材技術(shù)不同，通過輸入3D 數(shù)字模型—離散為二維片層—材料連續(xù)疊層及固化的方式，成型復(fù)合材料。3D打印技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①采用一體化成型技術(shù)，無需裝配，在形狀復(fù)雜的異形件制造中具有很大優(yōu)勢；②結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性強(qiáng)；③成本低、效率高，成型時不需制造特定模具，且自動化程度高。

在對復(fù)合材料需求越來越多，對產(chǎn)品性能、成本控制、生產(chǎn)周期要求越來越高的今天，3D 打印技術(shù)能夠很好地滿足航空制造業(yè)的生產(chǎn)需求。因此，研究3D 打印技術(shù)在航空產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用具有重要意義。

1 分類和基本工藝模型

1.1 3D 打印分類

3D 打印技術(shù)可根據(jù)其工作原理分為不同的類別，其中適用于航空復(fù)合材料制造的技術(shù)主要有定向能量沉積（DED）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、材料擠出（ME）、立體光刻（SLA）、分層實(shí)體制造（LOM）、熔融沉積成型（FDM）[1]。其適用原材料、原理和特點(diǎn)見表1。

表1 3D 打印分類及其原理

1.2 基本工藝流程

最常用的熔融沉積技術(shù)（FDM）和液體樹脂光固化成型技術(shù)（SLA），常見的成型工藝一般要經(jīng)過前處理、分層疊加成型和后處理三個階段。先對待成型件進(jìn)行建模，并對模型進(jìn)行切分，再以積分的形式將切片堆積，從而形成所需制件，如圖1 所示[2]。

圖1 3D 打印過程示意圖

2 最新研究

2.1 原材料

在飛機(jī)零件制造中，金屬材料3D 打印在工業(yè)領(lǐng)域用途廣泛，特別是鈦合金材料。非金屬材料的3D 打印也在逐步發(fā)展，如高分子聚合物、聚乳酸等。材料特性直接決定成型產(chǎn)品的強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能[3]。一般3D 打印技術(shù)的打印材料為PLA、PEEK 和ABS 等熱塑性非金屬材料。復(fù)合材料3D 打印技術(shù)的纖維主要以短纖維材料為主，基體以熱塑性材料為主，設(shè)備和材料實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。熱固性樹脂也實(shí)現(xiàn)了短切纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D 打印。

哈佛大學(xué)通過對環(huán)氧樹脂的改性，首次實(shí)現(xiàn)了熱固性樹脂的3D 打印。通過添加納米粘土、二甲基磷酸酯、碳化硅晶須和短切碳纖維，以咪唑基離子做固化劑，拓大了樹脂打印窗口；通過控制纖維尺寸和噴嘴半徑，使纖維在剪切力和擠出流的作用下發(fā)生取向；先在較低的溫度下預(yù)固化，然后從基板上移出再進(jìn)一步高溫固化，從而提高產(chǎn)品性能，如圖2 所示。

圖2 熱固性樹脂的3D 打印

北京化工大學(xué)薛平教授研究了3D 打印短切玻璃纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料。探究了玻璃纖維含量、偶聯(lián)劑含量、相容劑含量對聚乳酸復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明，玻璃纖維含量在25%時，其力學(xué)性能最好，如圖3 所示。

圖3 玻璃纖維含量與復(fù)合材料性能的關(guān)系

2.2 設(shè)備

美國Mark Forged 公司研發(fā)了名為Mark One 的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D 打印設(shè)備，打印出了碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料。2 個噴頭輪流工作，實(shí)現(xiàn)纖維和樹脂的復(fù)合，噴頭1 負(fù)責(zé)輸送樹脂，噴頭2 負(fù)責(zé)輸送預(yù)浸纖維絲。如圖4 所示。

圖4 3D 打印設(shè)備Mark One

但該設(shè)備的纖維取向一定，僅能實(shí)現(xiàn)X/Y方向纖維取向。且可打印尺寸較小，產(chǎn)品尺寸僅有0.6 m×0.4 m×0.3 m，因此，還需進(jìn)一步改進(jìn)。

西安交通大學(xué)明越科研究了連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性樹脂基復(fù)合材料3D 打印工藝，將常溫下為固態(tài)的環(huán)氧樹脂、熱固化劑雙氰胺、3K 碳纖維制備成3D 打印絲材，將絲材加熱至130 ℃，經(jīng)二次預(yù)浸后擠出冷卻，形成3D 打印預(yù)成型體，將3D 打印預(yù)成型體完全埋入氯化鈉中，抽真空填充內(nèi)部空隙，烘箱固化成制件，如圖5 所示[4]。

圖5 3D 打印設(shè)備、工藝、固化過程

該研究首次將連續(xù)纖維作為熱固性樹脂的增強(qiáng)體進(jìn)行3D 打印，為3D 打印熱固性樹脂在航空產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用提供了新思路。但該研究仍處于實(shí)驗(yàn)室級別，成型設(shè)備簡陋，工藝穩(wěn)定性差，成型零件尺寸較小，難以進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用。

3D 打印設(shè)備的噴嘴也會影響成型的完成度和成型質(zhì)量FDM 熔融沉積式的打印設(shè)備，耗材直徑固定為1.75 mm，一般噴嘴流道直徑為0.4 mm 以上。噴嘴直徑設(shè)置為1 mm 時力學(xué)性能最大，0.4 mm 時堵塞現(xiàn)象特別嚴(yán)重，熔體無法流暢擠出，打印線條之間出現(xiàn)縫隙，無法形成密實(shí)的樣條[5]。

2.3 加工參數(shù)

影響3D 打印效果的加工參數(shù)主要包括打印溫度、打印速度和打印路徑。

打印溫度是指在打印時設(shè)定打印噴嘴的溫度，溫度會影響高分子材料在流體狀態(tài)下的流變性能、粘彈性，調(diào)節(jié)打印溫度可以控制打印過程塑化和其在熔融狀態(tài)下的打印效果，可能會影響其固化及尺寸收縮情況[6]。

原材料從3D 打印噴嘴中以一定速度擠出并粘附在3D 打印平臺上，快速冷卻，組合成制品。3D 打印速度太低或太高均使可成型表面形成缺陷，影響質(zhì)量。

3D 打印路徑是指3D 打印噴嘴的路徑。通過設(shè)置軟件參數(shù)來設(shè)定3D 打印的路徑，即噴嘴擠出熔體的方向。由于熔體路徑?jīng)Q定復(fù)合材料中纖維的路徑，控制纖維取向，因此3D 打印路徑對復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度有重要作用。采用了回形路徑、0°路徑、±45°路徑、±90°路徑。也可以通過設(shè)計(jì)鋪層，不同鋪層制件角度交替打印成型。

3 應(yīng)用

2013 年，EADS 公司采用3D 打印技術(shù)，用熱塑性材料制造出了微型無人機(jī)原型。英國南安普頓大學(xué)打印出了世界上第1 架“3D 打印”飛機(jī)——小型無人駕駛飛機(jī)“SULSA”，且已試飛成功，其原材料為增強(qiáng)型ABS 塑料，翼展2 m，同時配備有用于巡航的微型自動駕駛系統(tǒng)[7]。

3D 打印公司stratasys 聯(lián)合航空公司Aurora Flight Sciences 在迪拜航空展上發(fā)布了世界首架3D 打印的噴氣動力無人飛機(jī)，機(jī)身由尼龍3D 打印而成，打印僅歷時9 d[8]。

4 發(fā)展趨勢

我國雖然對3D 打印有所研究，但工藝成熟度仍有所不足，特別是在航空制造領(lǐng)域，在成型材料、成型工藝、成型設(shè)備方面均具有一定發(fā)展空間。常用航空制造熱固性材料成型具有不可逆性，無法像熱塑性材料采用擠出工藝制造原材料后打印，也無法像金屬材料一樣采用粉末打印，因此需要開發(fā)適宜3D 打印的材料，此類材料需具備一定黏度和流動性，且操作時間相對較長、成型時間相對較短[9]。熱固性樹脂基復(fù)合材料需要加溫加壓以增加制件的密實(shí)度，可以在打印設(shè)備內(nèi)部將坯體進(jìn)行預(yù)壓實(shí)和加熱，確保材料在打印過程中也具備較強(qiáng)的致密性，并在打印完成之后進(jìn)行最終固化處理。與傳統(tǒng)工藝相比，3D 打印技術(shù)受產(chǎn)品設(shè)備尺寸和材料范圍限制，不同材料打印出來的產(chǎn)品性能、尺寸精度和表面質(zhì)量等相差較大，因此需將3D 打印與精確銑切技術(shù)相結(jié)合，制造尺寸精度合格的產(chǎn)品。