研究激光增材制造连续碳纤维增强复合材料

研究激光增材制造连续碳纤维增强复合材料

李震   乔飞

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西西安 710089

摘要：在当今高端的复合材料中，碳纤维增强复合材料（CFRP）占据着重要位置，在汽车制造、航空航天以及生物医药等高技术领域具有广泛的应用。相较于短纤维材料，连续CFRP材料的性能更强，随着增材制造技术（AM技术）发展推动，复杂的连续CFRP材料构件设计与制造变得更加精准、高效。基于此，文章以激光辅助自动铺带（L-ATP）工艺为例，分析和研究了激光增材制造连续碳纤维增强复合材料，旨在促进CFRP材料增材制造的发展。

关键词：激光增材制造；连续碳纤维增强复合材料；L-ATP工艺

增材制造工艺根据“离散－堆积”原理，利用CAD模型，促进复杂构件的整体成型，是制造连续CFRP复杂构件的重要手段。现今，在增材制造中，采用FDM制造工艺，会出现树脂堵塞喷头的情况，增加清理难度，影响增材制造效率。又因为成型平台尺寸的制约，所制造构件的尺寸不符合当今连续CFRP材料的应用需求。而激光增材制造工艺所制造的连续CFRP构件可以提高能量利用率，强化构件层间的结合质量。所以针对激光增材制造连续CFRP材料展开分析和研究具有重要意义。

1激光增材制造原料制备

激光增材制造连续CFRP材料属于复合型预浸料。所谓的预浸料，即由浸渍了热固性树脂或热塑性树脂的丝束或织物制造而成的，属于复合材料制造中间原料。而L-ATP所用的原料必须事先制备，其中，自动铺丝是由若干根预浸纱或分切的0.3cm到2.5cm之间的预浸带组成，主要用在大型不规则构件的制造中。利用熔融浸渍装置（如图一所示）来制备连续CFRP预浸带，纤维由纱架引入分丝部位，完成分丝后，为其涂抹熔融树脂，然后在牵引力下来到浸渍模具，经过辊轮摩擦后形成浸渍纤维，最后来到压光机构，经过多道挤压，利用牵引机构形成预浸带[1]。这种熔融浸渍系统的原理非常简单，并且方便操作，具有成本投入少、制造周期短等优势。

图一 预浸带制备装置

2激光增材制造连续碳纤维工艺

2.1 L-ATP成形原理与装备

L-ATP技术属于一种借助激光定位，并定向铺放纤维预浸带的自动化制造手段。L-ATP成形原理主要是在铺放头位置放置预浸带，然后利用滚轮将其导出；通过加热后的预浸带会有序地铺叠到对应的构件上；结束铺叠后，由切割机将其切断，确保材料根据构件的外形来完成铺装[2]。L-ATP装备主要涉及压力辊、激光器、预浸料加热辊、张紧导向系统以及温控系统，其中，该温控系统能够保证制造工艺温度，不用热后处理就能够原位加工层压板；胶带张力与压力辊机构的固结力能够连续变化，确保制造工艺的严格控制，提高构件性能。现今用于自动铺放的热力来源主要有三种，一为高温气体；二为红外线；三为激光。相较于高温气体与红外线，激光所具有的热能量密度较高，热响应时间短，可以更快地辅放。

2.2 L-ATP工艺的优缺点

 L-ATP工艺主要用在曲面制造方面，例如，航空航天领域中飞机的蒙皮结构等，所以，业界关注的焦点主要在三个方面，一为构件层间剪切强度；二为剥离强度；三为消除阶梯效应。在曲面制造中，其阶梯效应几乎是所有AM方式都存在的问题，一般会利用多轴/多自由度增材设备或者非平面切片手段来处理[3]。以纤维复合管来说，该技术工艺的应用是把预浸料采用一致的角度围绕圆筒缠绕，然后采用相反的角度开始下一层缠绕，如此反复，直到最终构件成形；以可变带宽曲面来说，凭借压辊压力的改变，获取各类带料的压实宽度，如此就可以解除曲面增材制造产生的阶梯效应。

在L-ATP工艺的应用中，温控与加热辊直接影响着带状材料的压力，关乎着成形构件的固结质量以及机械性能。因为该成形工艺具有瞬时性、高温性与高压性，但无论是压力环境，还是温度环境，预浸带都会产生较强的敏感性，而激光经过热辐射所传导的热量，其加热速率接近2000℃/s。所以，在加热环节，微观结构所发生的极小变化都会影响到构件的原位固结，最终降低构件存在的力学性能。在 L-ATP工艺的相关研究中，某些研究人员发现了加热辊对预浸带等材料压力带来的影响，在实际铺放过程中，无论是宽度，还是厚度，都会受到加热辊的影响，最终降低固结质量。所以，应该将预浸带原有的均匀宽度改设成可调节宽度，助力聚合物的有机结合，从而在一定程度上优化构件的机械性能。

随着科学技术发展的推动，业内研已经发出了较为成熟的铺放装置，能够自动操作，然而，其加工的复合材料属于热固性，在预成形构件的铺放中依旧要结合热压罐工艺，如此才可以成形。而采用L-ATP工艺来加工此类材料就可以脱离热压罐工艺来固化构件，从生产效率来说就已经得到了极大的提升。不仅如此，L-ATP工艺主要被用在蒙皮以及大型构件的制造中，但无法加工部分小型构件或者多孔结构构件，通过分析可以发现，这是由带状材料所具有的物理特性所导致。尤其是小拐角位置无法完成连续性的加工，一般要在小拐角位置事先切断，然后再连续性加工。而要采取什么样的手段来提升小尺寸构件的加工精度是今后研究必须攻克的难题。

3结束语

综上所述，文章分析了以激光辅助自动辅带（L-ATP技术）为主的连续CFRP材料激光增材制造技术，阐述了激光增材制造原料、激光增材制造连续碳纤维工艺，明确了L-ATP工艺优缺点、制造构件的成形原理、相关装备应用，相较于传统增材制造技术，激光增材制造工艺所制造的构件具有更加卓越的力学性能，无论是在弯曲拉伸方面，还是在层间剪切强度方面，均得到了进一步的提升，L-ATP技术的应用既有优点，也有缺点，同时有适用的范围。在实际应用中，激光辅助自动辅带更适合用在管状、扁平以及蒙皮结构的制造中，例如，飞机所需要的小曲率机翼、尾翼乃至机身的蒙皮等，对航空航天等高技术领域的发展极为关键，所以要给予高度重视和深入研究。

参考文献

[1]黎宇航,董齐,邰清安,et al.熔融沉积增材制造成形碳纤维复合材料的力学性能[J].塑性工程学报, 2017, 24(3):6.

[2]方鲲,向正桐,张戬,等.3D打印碳纤维增强塑料及复合材料的增材制造与应用[J].新材料产业, 2017(1):31-37.

[3]陈晖,王磊,郭振,等.基于增材制造的碳纤维/高分子复合材料研究现状[J].塑料工业, 2019, 47(10):4.