【原创资讯】国外研发出连续碳纤维热固性复合材料3D打印技术

碳纤维增强聚合物（CFRP）是一种性能优异的复合材料，但它只有采用连续碳纤维制成才具有优异性能。一旦将这些碳纤维切碎并与热塑性基体混合时，碳纤维增强塑料结构的大部分优势都将丧失，而在短切纤维的情况下，碳纤维不再承载荷载，实际上只是作为一种填充物。

对于3D打印技术也是如此，目前国际上很多有关CFRP的3D打印技术都是基于短碳纤维增强热塑性复合材料，因此，对于任何一种能够使用连续碳纤维进行3D打印的新方法都会引起人们兴趣。

近日，特拉华大学（University of Delaware）的一个研究小组发明了一种新方法，它展示了一种将连续碳纤维和热固性聚合物基体用于其3D打印复合材料的方法，而不是以前通常使用热塑性聚合物作为基体。热固性塑料和热塑性塑料之间的区别是什么？为什么它意义重大？

热固性树脂与热塑性树脂

热塑性塑料（如ABS树脂）在高温加热时会发生熔化，而当它冷却时，就会变硬。这个热处理过程可以反复进行，聚合物可以多次重熔，而不会对材料产生任何物理变化。

但是对于热固性塑料而言，树脂基体经过加热固化成型后，冷却后基本上会永久性地凝固成固体，这个过程是不可逆的。

有些复合材料在应用过程中如航空航天可能会暴露在高温范围，因此需要树脂基体在加热时不融，因此需采用碳纤维/热固性复合材料系统。热固性塑料还具有良好的抗疲劳性能，这在航空航天应用以及体育用品中也很有吸引力。目前，95%的航空用碳纤维复合材料组件使用热固性预浸料。

连续碳纤维热固性复合材料3D打印

来自特拉华大学复合材料中心（Center for Composite Materials，简写CCM）的研究团队认识到热固性CFRP打印的这种需求，因此开发了平面内热辅助（Localized In-plane Thermal Assisted，又称“LITA”）3D打印系统。它使用独特的打印头和自动机械手臂。

连续碳纤维/热固性树脂复合材料3D打印系统

利用这个系统，研究小组能够引导碳纤维进入所需的形状，并通过焦耳加热器控制纤维的温度来引导液体聚合物的流动。这使得热固性树脂能够在固化之前流动并芯吸到纤维之间的通道中，从而形成坚固、热稳定的三维结构。

从技术角度来说，LITA技术的基本概念是基于连续的毛细效应或芯吸效应，这是通过沿着碳纤维表面移动的热梯度来实现的，促进液态聚合物流入相邻碳纤维之间的管状空间，然后将聚合物树脂从加热的纤维表面固化到周围空间。

LITA技术优势

传统制造的碳纤维复合材料需要许多小时的后固化。LITA系统的可控快速固化不存在，因此使用该系统可以节省大量能源。此外，到目前为止，传统的碳纤维复合材料在工艺允许的几何形状方面受到限制。如果进一步发展，这种工艺可能会应用于航空航天、汽车、体育用品或其他任何需要轻质、坚硬、抗疲劳部件的行业，这些部件在运行过程中不会熔化。