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 | CJME论文推荐
Xin Wang, Xiaoyong Tian, Qin Lian，et al. Fiber Traction Printing: A 3D Printing Method of Continuous Fiber Reinforced Metal Matrix Composite. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2020, 33: 31.
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连续纤维金属基复合材料是一种具有高强度、高模量、耐磨损、低热膨胀系数的“未来金属”，在航空、航天、汽车等领域具有广泛应用。然而，金属基复合材料制备成本高、加工难度大、成型方法有限的问题，导致其进一步发展和应用受到限制。本文提出一种连续纤维金属基复合材料的3D打印方法，实现金属基复合材料的低成本直接制造，填补国内外在该领域内的空白。
本文使用的连续纤维增强金属基复合材料的3D打印方法，旨在通过提高纤维与基体的润湿性能，使基体均匀的附着在纤维表面，从而克服熔融金属在表面张力作用下发生的团聚作用，形成具有长方形截面的复合丝材，再通过层层累加实现直接制造。
首先，对连续纤维的表面进行改性，镀上金属铜层，改善碳纤维与锡铅基体的润湿性能；然后，将改性碳纤维和连续金属基体丝材送入连续纤维3D打印机的打印头中，并加入少量助焊剂，在熔融腔内部，纤维与基体发生复合，形成内部结构致密、纤维与基体界面结合良好的复合丝材；最后通过复合丝材的层层累加，实现连续纤维增强金属基复合材料复杂形状的直接成型。
通过本工艺方法，实现了连续纤维增强金属基复合材料的3D打印。首先，对影响打印精度较大的单丝打印过程进行了研究，发现在速度为3mm/s，挤丝量为20/100时，打印出的单丝均匀性最好，通过扫描电镜观察，在这一参数下，复合丝材的截面形状为长方形，纤维对基体起到良好的约束作用。然后，对具有不同镀层厚碳纤维的复合材料的微观结构进行了观察，发现1微米镀层碳纤维复合材料内部出现一些小的孔隙而3微米镀层碳纤维复合材料内部结构更为完整，两种复合材料的界面结合良好，前者的界面层更薄。最后，通过测试具有不同镀层厚碳纤维的复合材料拉伸性能，发现当镀层厚度为3微米时，复合材料的力学性能较好，达到235.2MPa，已经接近使用传统方法制备的Cf/SnPb复合材料性能。
本文提出了一种连续纤维金属基复合材料的3D打印方法，利用纤维对金属基体进行束缚，实现了复杂结构复合材料的直接制造。复合材料单丝打印的均匀性受到打印速度和挤丝量的影响，在较低的速度下，熔融金属基体更容易被束缚，截面呈长方形，另外，挤丝量的增加会影响打印的均匀性。当打印转角时，使用较低的打印速度并做停顿，可以有效减小打印的误差，同时，转角的打印误差会随着打印角度的增加而减小。使用本工艺打印的Cf/SnPb复合材料，力学性能最高达到235.2MPa，已经接近使用传统方式的制备性能。本工艺可以推广至打印其他纤维基体具有良好润湿性的复合材料。
这种工艺方法可以实现金属基复合材料的低成本、快速直接制造，并有望推广到其他熔点更高的金属基复合材料上，替代现有压力铸造的制备方式，具有较为广阔的前景。
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田小永，博士，教授，中国机械工程学会高级会员，ISO增材制造标委会（TC261）委员，《Progress in Additive Manufacturing》期刊编委。主持国家863课题1项、国家自然科学基金2项、省部级项目3项，发表论文60余篇，SCI收录30余篇。
（1）功能、结构一体化创新设计与3D打印，如超材料新型微波器件、结构电子等，提出了功能驱动电磁波结构隐形设计方法与3D打印制造，功能结构电子器件设计与3D打印制造等关键技术。
（2）多材料、复合材料3D打印（增材制造）技术及其应用研究，实现了连续纤维增强复合材料3D打印工艺创新，并开展基于机器人系统的多自由度3D打印研究。
（3）智能复合材料结构4D打印技术。
编辑：恽海艳 编校：向映姣
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