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中科院空间应用中心3D打印复合材料研究获重大科研成果

中科院空间应用中心3D打印复合材料研究获重大科研成果

近期,来自中国科学院空间应用工程与技术中心研究团队使用远铸智能(INTAMSYS)的高性能材料3D打印机FUNMAT HT对自主研发的碳纤维PEEK复合材料进行3D打印工艺的系统研究,取得重要科研进展。相关成果以论文《Flexural Properties and Fracture Behavior of CF/PEEK in Orthogonal Building Orientation by FDM: Microstructure and Mechanism》为题,发表于国际著名期刊《Polymers》中,博士研究生李秋实为第一作者,赵伟助理研究员、王功研究员为该研究论文通讯作者。

聚醚醚酮,简称PEEK,是一种热塑性聚合物,具有高强度,耐高温,耐化学腐蚀等特点,对3D打印行业有着举足轻重的影响。目前,聚醚醚酮已被用于制造3D打印卫星、3D打印汽车零部件、人体植入物,未来还将可能涉足其他领域。在PEEK 3D打印技术中,与大多数非金属材料类似,FDM工艺制造打印件的Z向层间结合力远低于X、Y方向,被认为是限制其应用的重要因素之一。
赵伟、李秋实等学者通过在丝材中掺杂碳纤维,并运用远铸智能FUNMAT HT机器研究了垂直打印方向对碳纤维聚醚醚酮3D打印件弯曲性能的影响,这种垂直方向打印的弯曲样条具有优异的力学性能,弯曲强度达到146 MPa,重要的是,还与传统注塑件具有接近一致的弯曲强度。

中科院空间应用中心3D打印复合材料研究获重大科研成果

图1. 碳纤维PEEK 3D打印材料制备与打印过程

中科院空间应用中心3D打印复合材料研究获重大科研成果

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图2. 碳纤维掺杂与垂直打印方式打印件弯曲性能对比

作者发现碳纤维的引入,不仅提高了打印件的刚性强度,而且结晶度更均匀,同时分析了碳纤维引入和打印方向对于打印件微观结构组成、打印件受力断裂模式,这些都有利于大型部件的制造。同时,可以观察到运用远铸智能(INTAMSYS)3D打印机通过改变打印方向和打印参数,除打印件具有优异的力学性能,还具有较为光滑的表面。

中科院空间应用中心3D打印复合材料研究获重大科研成果

△CF / PEEK零件的脆性弯曲断裂横截面的SEM电镜照片

总体上,该研究提出了一种普适性的制备满足多种受力情况PEEK打印件的方法,该方法为制备大型打印件提供了新思路,通过调节其他掺杂组分、打印方向和微观结构,运用远铸智能(INTAMSYS)3D打印机和INTAMSUITE软件,使得PEEK碳纤维材料有更强的空间适应性和更多的功能性,所制备的PEEK打印件有望在耐高温工业部件、汽车航天等领域得到进一步的应用。
南极熊注意到,现在越来越多的厂商开始涉足诸如PEEK类似的复合材料的3D打印技术,其表现出来的优异性能,让众多下游应用方跃跃欲试。这个方向可能让相对成熟的FDM 3D打印技术焕发出新的活力和生命。

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