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科技前沿

纤维牵引打印:一种连续纤维增强金属基复合材料的3D打印方法
来源:西安交通大学  2020-10-20 15:53:49
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-10053.html       金属基复合材料是一种具有高比强度、高比模量、低密度、抗腐蚀等性能的“未来金属”材料,在航空、航天、汽车等领域具有广阔的应用前景。然而,制备金属基复合材料需要昂贵设备和苛刻的工艺条件,这些限制增加了金属基复合材料的制备成本,阻碍其进一步应用。另外,金属基复合材料加工难度大,现有的近净成型工艺难以实现具有复杂形状的金属基复合材料制备。

       因此,西安交通大学的研发团队提出一种基于毛细作用的连续纤维增强金属基复合材料低成本、快速3D打印工艺——纤维牵引打印。研发团队通过改性的方式,有效提高熔融金属基体与纤维的润湿性能,使熔融金属在毛细作用力下自发渗入纤维单丝之间,实现纤维与基体的无压、快速复合(图1)。同时研发团队提出利用纤维对基体的束缚作用,克服熔融金属的内聚力,有效控制打印单丝的横截面形状。


图1 3D打印工艺的原理示意图及3D打印机

       为了验证该打印方法的可行性,研发团队利用锡铅合金和连续碳纤维进行3D打印,并开发出如图1所示3D打印机。图2为不同挤丝量、打印速度下,纤维对打印单丝横截面形状的控制效果,当挤丝量小于20/100,打印速度小于3mm/s时,纤维的束缚作用明显,横截面呈长方形,有利于实现单丝的层层累加。另外,锡铅基体在毛细作用下自发渗入纤维之间,所打印单丝具有完整的内部结构。

图2 纤维对单丝横截面形状的束缚

       之后,该团队还对打印的金属基复合材料拉伸性能进行了测试。当改性碳纤维表面的金属镀层厚度为3.0μm时,复合材料性能最高能达到235.2MPa,是锡铅基体性能的7.1倍,接近传统加压铸造工艺的制备性能(240.0MPa)。最后,该团队还打印了一些传统金属基复合材料制备工艺难以制备的形状(图3)。研发团队表示,该工艺还可以拓展到其他具有良好润湿性的材料体系,有望在将来实现CF/Al、CF/Mg等复合材料打印。

图3 3D打印金属基复合材料样件 
文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-10053.html