3D打印技术如何服务于航天复合材料

3D打印技术如何服务于航天复合材料

2020-11-05 17:15:44 44

21世纪,对复合材料的需求将以更快的速度增长,其高成本已成为制约复合材料广泛应用的重要瓶颈。低成本复合材料制造技术是世界复合材料研究领域的核心问题。为了提高复合材料的性价比,除了在原材料、组装和维护方面的研究和改进之外,降低复合材料的制造成本更为重要。近年来,3D打印技术的出现为制造业开辟了一个全新的思路,有别于传统的减料、等料制造等制造业。通过添加材料可以快速形成形状复杂的产品,实现原材料的有限使用。研究三维打印技术在航天复合材料产品制造中的适用性,对于推动航天复合材料产品的低成本制造具有重要的工程意义。

航天器发射成本高,有效载荷质量对发射成本影响大,因此有效载荷在结构设计和材料选择上特别注重结构效率。碳纤维复合材料具有比强度高、比模量大、热稳定性好、可设计性强等特点。优异的综合性能正是追求性能和结构质量效率的航天产品所需要的。目前,用于空间光学遥感器的碳纤维复合材料产品覆盖了遥感器的所有部件,如相机镜筒、相机支架、头罩、桁架等。使用的树脂主要是环氧树脂和氰酸酯树脂,增强材料主要是连续碳纤维。根据具体的产品特点和工艺特点,根据产品的性能要求和厚度要求,将预浸料按照一定的铺设顺序和层数堆叠在模具上,形成坯体,然后将坯体放入高压釜或热压机中,在高温环境下高温高压固化几个小时。

空间遥感器的复合材料和制造技术主要有以下特点:

1)为了保证产品的力学性能,采用连续纤维作为增强材料;

2)树脂基体环氧树脂和氰酸酯树脂都是热固性树脂,需要在特定的固化温度和压力下固化数小时(发生化学交联反应),形成稳定的网络交联聚合物;

3)预浸层压体内部松散。为了排出体内的空气等小分子,需要在加热的同时对身体施加高压,以提高产品的致密性,保证产品的力学性能;

4)对于结构复杂的产品,为了保证其力学性能,预浸料铺层设计往往需要在多个平面或位置进行连续铺层,如法兰环与筒体的连续性、加强筋与筒体的连续性、多向接头中圆周端与端间根部的连续性等。

3D打印技术原理

3D打印也叫加成制造,不同于传统的减料或等料的制造方法。它采用逐层积料的方法制造实体零件。该技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、信息技术、精密伺服驱动技术、新材料和物理化学技术的基础上集成发展起来的。其工作原理是将物理实体的计算机三维模型离散成一系列2D切片,根据切片信息,在数控驱动下,通过连续的物理层对包覆成型材料进行叠加固化,逐层添加材料,生成三维实体产品。图1是基于熔融沉积技术(FDM)的3D打印的基本过程的示意图。

复合材料3D打印技术。

在各种3D打印技术中,选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)、分层固体制造(L,LOM)和立体光刻(SL)是可以制造3D复合材料的主要技术。

SLS.

SLS制造复合材料的主要方法是混合粉末法,即基体粉末与增强体粉末混合,激光根据设计图的截面形状在特定区域加热粉末,使熔点相对较低的基体粉末熔化,从而使基体和增强体结合,实现复合。这种方法的问题是混合粉末中两种材料的密度不同,容易沉降,导致产品成分不均匀。通过合成单一的复合粉体进行技术改进,制备的复合粉体可以克服混合粉体容易沉降和不均匀的问题,从而制备出质量更高的产品。

FDM.

FDM工艺通过预先将纤维和树脂制成预浸料坯丝束,然后将预浸料坯丝束送入喷嘴来制造复合材料。丝束在喷嘴处被加热和熔化,并根据设计的轨迹堆叠在平台上,以形成材料层,这些层通过树脂的部分或完全熔化而连接。FDM技术中使用的复合预浸料丝束必须满足组成、强度和低粘度的要求,通常需要向复合材料中添加增塑剂以增加流动性。

LOM

LOM技术与FDM类似。单向纤维/树脂预浸料丝束需要提前准备好,并排制成无纬布或预浸料带。预浸带由传送带送到工作台。在计算机的控制下,预浸带被激光沿着三维模型的每个截面的轮廓切割,并一层一层地堆叠在一起以形成三维产品。

SL.

用SL制造复合材料,需要将带有增强颗粒或纤维的光聚合物混合成混合溶液,用紫外激光快速扫描储存在液槽中的混合溶液,使光聚合物快速发生光聚合,从而由液态变为固态。然后,工作台下降一层薄板的高度,进行第二层激光扫描固化,如此反复,形成最终产品。SL制造的复合材料存在一些问题,如增强颗粒沉淀导致颗粒分布不均匀,固化后溶液中泡沫导致空隙,颗粒反射导致激光吸收能量较低,辐照时间较长。

2.复合材料3D打印技术进展。

热塑性树脂具有加热软化、冷却固化的工艺特点,易于实现添加剂制造。在3D打印市场,热塑性塑料是主要的研究对象。在复合材料的三维印刷技术中,以热塑性树脂为基础的复合材料是相对主要的研究对象,增强材料包括短切纤维和连续纤维。

短切纤维/热塑性树脂复合材料。

德国、美国等3D打印公司和中国华硕高科技分别开发了可用于SLS技术的短切纤维/热塑性树脂复合粉末,并实现了商业化。材料参数见表1。

连续纤维/热塑性树脂复合材料。

2014年初,美国MarkForged公司开发了用于连续碳纤维增强热塑性复合材料的3D打印设备MarkOne,并打印了碳纤维增强尼龙复合材料(该打印机有两个喷嘴,一个喷嘴输送热塑性树脂(尼龙或聚乳酸),另一个喷嘴输送连续的预浸碳纤维纱或预浸玻璃纤维纱,预浸纤维纱涂有专门为打印机开发的热塑性树脂,两个喷嘴依次工作,树脂和预浸丝束通过FDM工艺沿X/Y平面铺设,实现纤维和树脂的复合,纤维可以按需定向或按需铺设。目前该设备只能实现X/Y方向的纤维取向,不能实现Z方向的纤维取向。马克恩的可打印尺寸是0.6m×0.4m×0.3m..

美国Stratasys公司和美国能源部橡树岭国家实验室合作开发FDM制造技术,用于碳纤维复合材料的大规模生产。合作分为三个阶段。*该阶段研究如何将碎纤维放入FDM工艺中,以及如何调整材料的各种机械性能。第二至第三阶段的研究重点是在中心线上制造连续碳纤维复合材料并进一步加工。

短切纤维/热固性树脂复合材料。

哈佛大学开发了适合3D打印的环氧树脂,*实现了热固性树脂的3D打印,如图3所示。为了提高树脂的粘度,研究人员添加了纳米粘土、磷酸二甲酯、碳化硅晶须和短碳纤维,并使用咪唑离子作为固化剂,大大扩大了树脂的印刷窗口,使得树脂的粘度在几周的印刷窗口期内不会显著增加。通过控制纤维长径比和喷嘴直径,填料在剪切力和挤出流动的作用下取向,从而实现填料取向的控制,获得取向纤维。印刷部件在较低温度下预固化,然后从基板上移除,并在高温下进一步固化。

3.航天树脂基复合材料3D打印技术分析。

目前复合材料的3D打印技术主要是短纤维/热塑性复合材料,材料和设备已经商品化,而热固性基复合材料只在实验室实现短切纤维增强复合材料的3D打印。结合。


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