一種短纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂復(fù)合產(chǎn)品的3d打印制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于快速成形領(lǐng)域，更具體地，涉及一種3D打印制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料作為一種重要的輕質(zhì)材料，以其優(yōu)良的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，在航空航天、汽車等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。如采用高強(qiáng)度、輕質(zhì)熱固性環(huán)氧樹(shù)脂/碳纖維復(fù)合產(chǎn)品來(lái)替代目前大量使用的金屬材料是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)、汽車等交通運(yùn)輸工具輕量化的重要途徑，波音最新的787型飛機(jī)大面積采用熱固性環(huán)氧樹(shù)脂/碳纖維復(fù)合產(chǎn)品，大大降低飛機(jī)重量，從而節(jié)省大量燃料、擴(kuò)大飛行范圍。為了提高產(chǎn)品性能，航空航天、汽車等領(lǐng)域的功能零件結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，造成傳統(tǒng)成形方法的制造周期、成本日益提高，某些優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)甚至無(wú)法成形。3D打印(也稱為增材制造或快速成形制造)技術(shù)利用逐層制造并疊加原理，可直接從CAD模型制造三維實(shí)體零件。隨著技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)需求的推動(dòng)，3D打印技術(shù)已由原型制造發(fā)展到直接產(chǎn)品或近產(chǎn)品制造，而快速成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)正是3D打印技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)。
[0003]目前3D打印制造的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合產(chǎn)品中所用樹(shù)脂主要是熱塑性樹(shù)脂和紫外光固化樹(shù)脂，采用的工藝方法有:1)熱塑性樹(shù)脂粉末(如尼龍、聚醚醚酮等)和增強(qiáng)纖維粉末混合，利用選擇性激光燒結(jié)(選擇性激光燒結(jié))進(jìn)行3D打印制造；2)將增強(qiáng)纖維與熱塑性樹(shù)脂制成復(fù)合絲材或預(yù)浸絲束，利用熔融沉積(FDM)技術(shù)進(jìn)行3D打印制造；3)將增強(qiáng)纖維與紫外光固化樹(shù)脂均勻混合，利用光固化(SLA)技術(shù)進(jìn)行3D打印制造。但是，方法I)制造的產(chǎn)品的強(qiáng)度較低，方法2)、3)均難以成形具有懸臂結(jié)構(gòu)的復(fù)雜產(chǎn)品。
[0004]熱固性樹(shù)脂為反應(yīng)性樹(shù)脂，需要在特定的固化溫度和壓力下與固化劑進(jìn)行數(shù)小時(shí)的固化反應(yīng)(化學(xué)交聯(lián))，形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀交聯(lián)，交聯(lián)后的產(chǎn)物具有剛性大、硬度高、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)。熱固性樹(shù)脂初始粘度較低，隨著固化反應(yīng)進(jìn)行粘度逐漸增大，根據(jù)3D打印原理可知，粘度過(guò)低則形狀不易保持，但若粘度過(guò)大，則材料不易從噴嘴擠出或激光加熱熔融。近日，哈佛大學(xué)研制出了一種適用于3D打印的環(huán)氧樹(shù)脂并通過(guò)三維擠出的方式首次實(shí)現(xiàn)了熱固性樹(shù)脂復(fù)合產(chǎn)品的 3D 打印(Compton, B.G.&Lewis, J.A., Adv Mater, 2014, 26, 34)。但是該方法由于其自身原理的限制，難以直接成形具有懸臂結(jié)構(gòu)等的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。因此，目前利用3D打印技術(shù)成形熱固性樹(shù)脂及其復(fù)合產(chǎn)品仍面臨著諸多問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種短纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂復(fù)合產(chǎn)品的3D打印制造方法，可以快速制造形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的、輕質(zhì)高強(qiáng)度、高耐熱的纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂復(fù)合產(chǎn)品。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種短纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂復(fù)合產(chǎn)品的3D打印制造方法，包括以下步驟:
[0007]I)制備適用于選擇性激光燒結(jié)3D打印技術(shù)的復(fù)合粉末，所述復(fù)合粉末按體積比包括以下原料:高分子粘結(jié)劑10%?50%，短纖維90%?50% ;
[0008]2)采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成形具有孔隙的形坯，成形的形坯的孔隙率為10%?60%，彎曲強(qiáng)度在0.3MPa以上；
[0009]3)將形坯放入液態(tài)熱固性樹(shù)脂前驅(qū)體中進(jìn)行浸滲后處理，后處理過(guò)程如下:
[0010]3.1)配制粘度在10mPa.s以下的液態(tài)熱固性樹(shù)脂前驅(qū)體；
[0011]3.2)將形坯浸入液態(tài)熱固性樹(shù)脂前驅(qū)體中以使液態(tài)熱固性樹(shù)脂浸滲到形坯的孔隙中，并將形坯的上端露出液面以使形坯孔隙中的氣體排出；
[0012]4)從液態(tài)熱固性樹(shù)脂前驅(qū)體中取出形坯后進(jìn)行固化處理；
[0013]5)對(duì)固化處理后的形坯進(jìn)行打磨處理，即得到成品。
[0014]優(yōu)選地，步驟I)中所述的復(fù)合粉末的粒徑分布在10?150微米。
[0015]優(yōu)選地，步驟I)中所述的短纖維的直徑為6?10微米，長(zhǎng)度為10?150微米。
[0016]優(yōu)選地，步驟2)中選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成形的工藝參數(shù)如下:激光功率5?15W，掃描速率1500?3000mm/s，掃描間距0.08?0.15mm，鋪粉層厚0.1?0.2mm，預(yù)熱溫度50 ?200。。。
[0017]優(yōu)選地，步驟3.2)中將形坯和液態(tài)熱固性樹(shù)脂前驅(qū)體放入真空烘箱中，抽真空，以加速液態(tài)熱固性樹(shù)脂浸滲到形坯的孔隙中。
[0018]優(yōu)選地，步驟4)中固化處理的溫度為50?200°C，固化時(shí)間為3?48小時(shí)。
[0019]優(yōu)選地，步驟I)中所述的高分子粘接劑為尼龍12、尼龍6、尼龍11、聚丙烯、環(huán)氧樹(shù)脂和/或酚醛樹(shù)脂。
[0020]優(yōu)選地，步驟I)中所述的短纖維為碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、碳化硅晶須和/或芳綸纖維。
[0021]優(yōu)選地，步驟3.1)中所述液態(tài)熱固性樹(shù)脂前驅(qū)體中采用的熱固性樹(shù)脂為環(huán)氧樹(shù)月旨、酚醛樹(shù)脂、聚氨酯、脲醛樹(shù)脂或不飽和聚酯樹(shù)脂。
[0022]優(yōu)選地，步驟4)中將形坯從液態(tài)熱固性樹(shù)脂前驅(qū)體中取出后先清理樹(shù)脂，然后再進(jìn)行固化處理。
[0023]總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果:
[0024]I)本發(fā)明采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是3D打印技術(shù)的一種，該工藝能夠直接根據(jù)CAD模型，通過(guò)逐層有選擇地?zé)Y(jié)所需要區(qū)域的粉末并疊加來(lái)成形零件，可以直接制造形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，譬如具有懸臂結(jié)構(gòu)等的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。相對(duì)于傳統(tǒng)的熱固性樹(shù)脂復(fù)合產(chǎn)品的加工成型方法，如手糊成型、模壓成型、樹(shù)脂傳遞模塑成型、噴射成型和連續(xù)纏繞成型等而言，該工藝具有設(shè)計(jì)制造周期短，無(wú)需模具，可整體制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件等優(yōu)點(diǎn)。
[0025]2)相對(duì)于目前通過(guò)3D打印方法制造的熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料而言，由本發(fā)明制造的熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能更優(yōu)，耐熱性能更好；
[0026]3)本發(fā)明的方法應(yīng)用范圍廣泛，可以適用于不同的增強(qiáng)纖維以及不同的熱固性樹(shù)脂體系。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1是本發(fā)明的工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0029]如圖1所示，一種短纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂復(fù)合產(chǎn)品的3D打印制造方法，包括以下步驟:
[0030]I)制備適用于選擇性激光燒結(jié)3D打印技術(shù)的復(fù)合粉末，所述復(fù)合粉末按體積比包括以下原料:高分子粘結(jié)劑10%?50%，短纖維90%?50%;其中，所述高分子粘接劑/短纖維復(fù)合粉末的粒徑分布在10?150微米之間，優(yōu)選范圍為10?100微米，一般地，纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，增強(qiáng)效果越好，但是當(dāng)纖維長(zhǎng)度超過(guò)150微米以后，將影響鋪粉的質(zhì)量，最終影響零件的精度；纖維過(guò)短將導(dǎo)致表面積增大，容易粘輥；高分子粘接劑的體積含量進(jìn)一步優(yōu)選為10?30%，因?yàn)樵诒ＷC形坯基本強(qiáng)度的前提下，高分子粘接劑的含量越少，形坯的孔隙率越大，后期滲入的樹(shù)脂越多，最終強(qiáng)度越高。
[0031]另外，所采用的高分子粘接劑為尼龍12、尼龍6、尼龍11、聚丙烯、環(huán)氧樹(shù)脂和/或酚醛樹(shù)脂等具有一定耐熱性能的高分子材料中的一種或幾種的組合。
[0032]此外，所采用的短纖維可以是碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、碳化硅晶須和/或芳綸纖維等高強(qiáng)纖維，其中纖維直徑為6?10微米，長(zhǎng)度分布范圍為10?150微米，優(yōu)選為50?100微米。一般地，纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，增強(qiáng)效果越好，但是當(dāng)纖維長(zhǎng)度超過(guò)150微米以后，將影響鋪粉的質(zhì)量。
[0033]2)采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成形具有孔隙的形坯，選用優(yōu)化的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的工藝參數(shù)成形零件的形坯，該形坯為既能滿足后續(xù)處理強(qiáng)度要