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摘 要
當(dāng)我們進(jìn)入一個(gè)燃料效率和變暖的時(shí)代時(shí)，能源已成為一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。復(fù)合材料由于其低重量和低維護(hù)，起到了更重要的作用。然而，制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件經(jīng)常要求非常昂貴的模具并涉及大量的勞動(dòng)力。
增材制造(AM，如使用直接3D CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行3D打印)能夠快速具成本效益的生產(chǎn)，減少材料用量和部件數(shù)量，并縮短設(shè)計(jì)周期。這種先進(jìn)性主要是由于新開(kāi)發(fā)熱塑性材料和AM工藝，不僅適用于原型而且適用于功能性產(chǎn)品和模具。
我們現(xiàn)在能增材制造復(fù)合材料并獲得復(fù)合材料和AM的特點(diǎn)嗎?作為一個(gè)例子，圖1展示了復(fù)合材料在一個(gè)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片應(yīng)用中可能采用的增材制造。增材制造被用于生產(chǎn)復(fù)雜的復(fù)合材料模具，同時(shí)通過(guò)直接金屬激光沉積生產(chǎn)一種保護(hù)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的金屬前緣。
本文介紹達(dá)到兩種特點(diǎn)的復(fù)合材料增材制造的研發(fā)項(xiàng)目。
1 用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的模具
目前復(fù)合材料制造總成本的大部分一般是由工裝和模具構(gòu)成，它們包括昂貴和復(fù)雜的加工。為了滿足設(shè)計(jì)要求，也需要技術(shù)熟練的工人和較長(zhǎng)的研制周期。
工裝和模具可以在一個(gè)自動(dòng)化工藝中直接用AM中所采用的CAD文件進(jìn)行制造，提供更短的研制周期、更低的成本和更高的精度。已確認(rèn)在先進(jìn)的AM技術(shù)中，熔融沉積成型(FDM)能夠快速具成本效益地生產(chǎn)復(fù)合材料用模具，特別是針對(duì)復(fù)雜部件。適用于聚合物增強(qiáng)復(fù)合材料用耐高溫模具的FDM熱塑性塑料已被開(kāi)發(fā)出來(lái)。例如，ULTEM9085是一種高性能熱塑性塑料(見(jiàn)表1)，專(zhuān)用于商業(yè)運(yùn)輸業(yè)，特別是航空、航海和地面車(chē)輛。與3D生產(chǎn)系統(tǒng)相結(jié)合，ULTEM9085使設(shè)計(jì)和制造工程師們可以生產(chǎn)全功能部件，適用于先進(jìn)的功能原型或終端應(yīng)用，沒(méi)有傳統(tǒng)模具的成本和研制周期。
可是，熱塑性塑料如ULTEM9085的熱膨脹系數(shù)(CTE)比傳統(tǒng)鋁制模具高2.5倍左右，它對(duì)于部件的終成形至關(guān)重要。應(yīng)該使用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)軟件分析這類(lèi)成品模具的熱性能和機(jī)械性能。為了增加模具的耐用性，AM可被用于制造原型，然后用原型制造模具。
2 碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料用于選擇性激光燒結(jié)
使用增材制造制備的產(chǎn)品超過(guò)原型。它們?yōu)楹娇蘸教旌推?chē)工業(yè)中所要求實(shí)際應(yīng)用提供高剛度和高強(qiáng)度。采用增材制造工藝如選擇性激光燒結(jié)(SLS)和立體平面印刷術(shù)開(kāi)發(fā)的原型已經(jīng)并還會(huì)被用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，以檢查不同程度的形狀、匹配和功能。但直到近，所用的原型材料可制備足以進(jìn)行測(cè)試但還不適合于終使用的原型。采用先進(jìn)的材料和通用的增材制造技術(shù)以及特殊的SLS，可以生產(chǎn)全功能性的成品部件。一系列選擇性激光燒結(jié)材料(如金屬和玻纖或碳纖增強(qiáng)塑料)被設(shè)計(jì)成滿足大量的國(guó)防、航空航天、醫(yī)用、工業(yè)和消費(fèi)品應(yīng)用。
但是，由于在每層中的纖維取向，終的機(jī)械性能在三個(gè)方向上是不同的，剛度在2~8GPa，強(qiáng)度在30~80MPa。垂直于層平面的方向(z方向)顯示低的性能。材料混合比和燒結(jié)層方向?qū)Τ善窓C(jī)械性能的影響可以用CAE工具進(jìn)行分析：集成CAD、CAE和AM使大化機(jī)械性能和獲得一個(gè)有競(jìng)爭(zhēng)力的制造過(guò)程成為可能。
要進(jìn)一步增強(qiáng)增材制造結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，熱塑性塑料(如聚合物基體聚酰胺)可以用納米復(fù)合材料或碳原絲纖維增強(qiáng)。為了建立一個(gè)文件格式，在CAD系統(tǒng)和打印機(jī)之間傳遞準(zhǔn)確的材料內(nèi)容信息，標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試研究院已開(kāi)展了一個(gè)升級(jí)傳統(tǒng)STI。代碼的項(xiàng)目。
要使產(chǎn)品重量更輕、強(qiáng)度更大，并更具競(jìng)爭(zhēng)力，工業(yè)界在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中需要對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度和疲勞壽命有一個(gè)更準(zhǔn)確、更實(shí)際和更可靠的預(yù)測(cè)。在現(xiàn)有的方法中，以細(xì)觀力學(xué)為基礎(chǔ)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)力和疲勞分析是估計(jì)真實(shí)載荷條件下結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度和疲勞壽命，以及研究纖維含量和鋪層方向?qū)Τ善酚绊懙姆浅Ｓ行实姆椒ā?/P>
3 機(jī)器人輔助連續(xù)纖維鋪放或帶鋪層制造
復(fù)合材料的自動(dòng)化制造也可以被歸納為“增材制造”，因?yàn)樵谧詣?dòng)帶鋪層(ATL)或自動(dòng)纖維鋪放(AFP)中，纖維被加入或鋪層到配置模具上。與AM相似，AFP／ATL程序軟件也讀取CAD表面和層邊界信息，并根據(jù)用戶規(guī)定的制造標(biāo)準(zhǔn)和要求，增加材料。根據(jù)結(jié)構(gòu)外形的復(fù)雜度和尺寸，使用具有所需動(dòng)作軸的機(jī)器人，并基于CAD和鋪層順序編程。
在AFP／ATL中，常規(guī)纖維絲束和單向帶被喂入機(jī)器人手臂，動(dòng)作可以是非常復(fù)雜，取決于配置和鋪層次序。使用新開(kāi)發(fā)的多向帶(C-層來(lái)自Chomarat)，機(jī)器人的動(dòng)作可以大幅簡(jiǎn)化，且材料用量可以減少。根據(jù)鋪層結(jié)構(gòu)的尺寸和鋪層次序，用戶可以規(guī)定層的厚度和多向帶的寬帶，影響成品的機(jī)械性能。近，已有可能為管道和曲面結(jié)構(gòu)快速固結(jié)熱塑性塑料。熱塑性復(fù)合材料的快速固結(jié)對(duì)于復(fù)合材料先進(jìn)AM預(yù)期將成為一種重要的技術(shù)。多向帶還可以被用在纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料激光輔助加工中。
新的分裂3D路徑替代用于當(dāng)前AM中的切片2D數(shù)據(jù)，它們可以被開(kāi)發(fā)用于放置纖維、樹(shù)脂和第三種可能的支撐材料。這種方法可以取消金屬激光沉積中所提到的模具，導(dǎo)致減少材料廢料，縮短設(shè)計(jì)周期和大幅降低部件數(shù)量。
4 蜂窩數(shù)字材料
聯(lián)鎖蜂窩數(shù)字材料已被提出作為一種制造大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的增材制造技術(shù)。蜂窩材料由復(fù)合材料構(gòu)成，根據(jù)需要組裝、拆卸和重組裝。
理論上，每密度的終剛度和強(qiáng)度會(huì)比傳統(tǒng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件高10倍。這種使用組裝制造而不是鋪層或打印的方法是真正的分裂型。