登录
 机构网站
  1. 首页
  2. 情报产品
  3. 快讯详情

《3D打印突破碳纤维增强PEEK复合材料粉末床熔融成形机理》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2018-12-07

  • 聚醚醚酮（简称PEEK）是一种具有优异力学性能的高温热塑性塑料，具有较高的玻璃化转变温度（145℃）和熔点（339℃），采用纤维增强的PEEK复合材料具有更高的强度、模量及热变形温度，可代替铝及铝合金等金属材料用于航空航天、汽车制造等领域。激光选区烧结（SLS）作为3D打印技术中的一种，在制备复杂结构制件及结构优化方面具有独特的优势，这就使得PEEK及其复合材料的3D打印具有较大的吸引力。

    然而，目前PEEK及其复合材料的SLS制件强度均低于其注塑件，从而大大限制了PEEK及其复合材料的3D打印制件的应用范围；同时，较高的加工温度（＞300℃）对设备提出了更大的挑战，目前可用于PEEK材料SLS成形的设备较少，商业化的设备仅有EOSP800、EOSP810等，但是其价格昂贵，系统封闭，这就为PEEK的SLS工艺研究及复合材料的配方研究产生了很大的限制。

    该文章采用SLS制备高强度碳纤维（CF）增强PEEK复合材料，基于高温流变行为对CF / PEEK复合材料的烧结机理进行了深入研究。通过将模拟温度分布与粘度-温度关系相结合来定义新的有效熔化区域，并用于预测工艺规划。

    根据计算结果，对CF/PEEK开展了SLS工艺实验，结果表明，当激光功率为18.5W、扫描速度3000mm/s、扫描间距0.12mm，分层厚度为0.1mm时，10%碳纤维含量的复合材料的拉伸强度达到109±1 MPa、拉伸模量为7365±468 MPa；5%碳纤维含量的复合材料的弯曲强度达到183±4 MPa，均远高于PEEK的注塑件。从而证明了基于零切粘度的有效熔融区域的计算可作为SLS热模型的补充，用于高熔体黏度的聚合物及其复合材料的SLS工艺预测，同时，高强度高模量CF/PEEK的SLS制件也为航空航天领域制件的拓扑优化、快速制造等提供了可能。

  • 原文来源：http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=357093
259浏览量
原文链接
相关报告

  • 《3D打印复合材料近期大事记》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-03-12
    • 3D打印市场正在蓬勃发展，其增长率达到两位数。数据表明，到2026年全球用于3D打印的复合材料收入将超过5亿美元，未来十年内复合材料将成为3D打印主要的市场机遇。 去年底，工信部工业文化发展中心增材制造（3D打印）研究院新材料研究所正式成立；今年，赢创推出用于更高温度3D打印的新型聚合物粉末；法国开发世界上首个3D打印空心螺旋桨片……最近这一时期，还有哪些与复材相关的3D打印大事件？我们一起来看一看吧。 阿科玛携3D打印最新协作创新成果 亮相2019 TCT亚洲展 日前，阿科玛亮相上海亚洲3D打印、增材制造展览会（TCT Asia），展示其在先进材料领域的最新协作创新成果。这些先进材料覆盖所有主要3D打印技术，包括选择性激光烧结、熔融沉积制造和光固化。 “阿科玛3D打印解决方案”平台持续为增材制造领域研发世界领先的先进材料解决方案组合，同时展示其在整个3D生态系统中的创新合作网络。 " “阿科玛在用于主流3D打印工艺上的旗舰先进材料已有盛名，但这个不断发展的市场需要的不仅仅是材料。在整个产业链中建立核心战略合作伙伴关系并加以利用至关重要。其中协同是关键所在。此次展会我们带来的数项产品技术，凸显了创新公司互相协同合作可取得的成果。”Guillaume de Crevoisier，阿科玛3D打印全球业务总监表示。 阿科玛将展示其与Autodesk和Farsoon在高性能选择性激光烧结（SLS）制造领域的协作成果。这项成果集合了Autodesk最高水平的制造软件和Farsoon生产的先进硬件，并充分利用阿科玛Rilsan®聚酰胺11粉末的卓越强度和耐用性。 阿科玛旗下沙多玛业务单元将推出多项开拓性解决方案，这些解决方案也是与下游客户共同开发的。新型液态树脂产品具有低刺激性和低气味的特点，适用于高性能牙科应用，而其他新型创新产品则专为鞋底设计，具有更好的弹性和韧性。 针对亚洲珠宝市场的特殊需求，阿科玛推出全新N3xtDimension®铸造树脂，具有出色的熔体，并且在铸造过程后残留量极少。 赢创推出用于更高温度3D打印的 新型聚合物粉末 特种化学品公司赢创正积极开拓极具吸引力的3D打印市场，并开发了一种新型聚合物粉末。作为旗下聚酰胺6系列的新产品，该粉末适用于更高温度范围的应用需求，进一步扩展了赢创粉末型3D打印技术高性能材料产品系列。 赢创的新型聚酰胺粉末具有高机械强度以及优异的耐化学性和耐温性。其热变形温度（HDT B）约为195°C。此外，粉末材料的低吸水率（低于3％）使其脱颖而出，这一特性对3D打印材料的可加工性和打印出的3D组件的尺寸稳定性具有积极影响。 “适用于单个打印机并且能够应用于更高温度范围的新型、即用型材料助推3D打印行业向批量生产迈进了一步。”专注选择性激光烧结（SLS）的TPM 3D中国技术公司创始人兼董事长Mark Zhao说道。“我们看到对可应用于更高温度范围的3D打印解决方案的需求十分强烈，例如汽车和电子行业。因此，我们很高兴与赢创一起推出新型温度稳定性材料。” 赢创聚酰胺6系列中的新型聚合物粉末具有近乎圆形的晶粒形状，优异的流动性和应用性能，适用于所有粉末型3D打印技术。赢创的专利工艺被用于其马尔工厂生产高温材料。 法国开发世界上首个 3D打印空心螺旋桨片 去年，法国国防承包商海军集团（Naval Group）与法国工程学院南特中央理工学院（Centrale Nantes）合作开发了全球第一片全尺寸3D打印军用螺旋桨，今年两家继续合作，开发了世界上第一台3D打印空心螺旋桨片。RAMSSES（可持续和高效船舶先进材料解决方案的实现和演示）螺旋桨项目是欧洲H2020（欧洲工业数字化技术、欧洲数据基础设施、5G、下一代互联网等技术研究领域面临的挑战和未来研发计划）的一部分，由欧盟委员会资助，旨在利用3D打印等新技术来减少碳排放对环境的影响，进行大型海军舰艇的制造和运营。 " 使用电弧增材制造技术 (Wire and Arc Additive Manufacture, WAAM) ，该集团计划3D打印直径达6米的舰艇螺旋桨。本次生产的测试件为原型比例的三分之一，重约300千克，制作时间不到100小时。分析表明，相比传统工艺，全尺寸3D打印桨片可以减轻40％的重量！不仅需要更少的材料，更降低了发动机的负荷，可进一步降低燃料消耗并因此降低船舶的环境影响。 此外，Sirehna（Centrale Nantes衍生公司和Naval集团的子公司）对螺旋桨片设计进行了改进，提高了效率和耐用性，同时减少了对海洋动物产生负面影响的辐射噪音和振动。 RAMSSES项目螺旋组件事业部经理Patrice Vinot表示：“虽然增材制造在工业上越来越普遍，但复杂部件的编程和设计，如船用螺旋桨叶片，对我们海军集团的的团队和合作伙伴来说是一个巨大的挑战，这个新案例研究揭示了3D打印工艺过程的潜力，这意味着预计未来的螺旋桨将具有无与伦比的性能。参与RAMSSES等项目并协调我们的学术和行业合作伙伴网络，将使我们能够长期将3D打印引入造船厂。” 南特中央理工学院快速制造平台负责人，增材制造国际专家Jean-YvesHascoët教授解释说：“在快速制造平台上，过去35年来一直在开发增材制造。所有这些年的研究都是通过像RAMSSES这样的项目实现的，促使我们的技术真正转移到工业环境中。海军行业正在缓慢但肯定地采用3D打印，以确保未来的‘顺利航行’。” EAD工业级连续光纤CFAM Prime 3D打印机 入围JEC创新大奖 CFAM Prime 3D打印机是一种新的3D打印技术，它将颗粒挤压与预浸渍纤维细丝相结合，打印纤维增强热塑性组件。挤出机设计过程几乎所有的热塑性塑料(最高温度400℃)。 测试了各种热塑性塑料，如PETG、PP、PPS、ABS、PC、PB和PEEK，其中一些颗粒已经含有一定比例的短纤维。连续纤维预先浸渍了用于该应用的热塑性塑料。因此，CEAD生产自己的连续纤维长丝浸渍所需的热塑性塑料，很像目前使用的UD带。该打印头可将熔融的热塑性塑料与连续预浸渍纤维相结合，打印复合材料。 " 该程序是独一无二的，并获得了专利。这台机器不需要操作员也能运转24小时。全封闭，有闭环温度控制系统和专用冷却系统。这使得CFAM Prime成为一台专用的生产机器，并对打印对象的质量进行完全控制。 与传统的生产方法相比，使用CFAM给了设计者更多的设计自由。复杂的内部通道，复杂的曲率和安装和装配功能可以集成到一个设计。允许4 x 2x1.5m的体积，使得CFAM Prime对于低批量的大型复杂产品非常有利。该方法减少了生产步骤。在此过程中省去了昂贵的模具，并且由于该过程主要是自动化的，因此减少了人工成本。由于减少了工艺步骤，从而缩短了大型复杂产品的交货期。 这一创新被选为2019年JEC创新大奖3D打印类的入围作品。获奖名单将于2019年3月13日下午4时30分在JEC World 2019大会上公布。 Stratasys复合材料 亮相法国JEC 在即将举办的JEC展会上，Stratasys将展示其FDM和PolyJet技术在整个产品开发过程中的通用性，从全功能原型到工具应用和最终生产部件。参观者将能够看到来自不同行业的公司在生产操作中实施增材制造时所能享受的显著时间和成本效益。 Stratasys对高温材料的开发，以及FDM生产3D打印机产量的提高，使其能够在数小时或数天内制造出复杂的复合叠层，而不是像传统制造那样需要数周或数月的时间。 " 作为JEC World在“创新行星”领域的应用展示计划的一部分，Stratasys将展示一款Santa Cruz自行车，以及使用3D打印工具生产的许多碳纤维部件。通过使用Stratasys的FDM 3D打印技术，该公司能够比以往任何时候都更快地生产出功能完备的原型机，并以更快的速度迭代更多的设计，这大大简化了其整体设计流程。此外，该公司通过按需3D打印高性能复合材料工具，克服了传统工具在低批量复合产品生产中的局限性，从而大大加快了产品的交付时间，成本也大大降低。 Stratasys还展示FDM尼龙12CF令人印象深刻的机械性能如何使工程师能够探索从传统金属零件到3D打印塑料复合材料的过渡。这种填充碳纤维的热塑性塑料含有35%的切碎的碳纤维，它的强度足以取代金属，使设计师能够开发出更轻的功能设计。FDM尼龙12CF的高刚度重量比非常适合汽车、航空航天、休闲用品和工业制造部门的功能性能测试需求。 Fortify和DSM合作开发用于 3D打印的高性能复合材料 总部位于波士顿的先进制造公司Fortify与营养、健康和可持续生活的全球目标主导科学公司DSM宣布，他们将开发用于结构件3D打印的高性能复合材料。 此次合作将Fortify的数字复合材料制造（DCM）平台和光纤加工专业知识与帝斯曼在3D打印树脂和配方开发方面的应用知识相结合。他们将共同开发尖端的高性能复合材料，通过Fortify硬件进行分销。通过为3D打印部件带来强大的机械和温度特性，这些材料非常适用于众多市场中的各种应用：汽车、航空航天、电子、快速模具、夹具和夹具。 帝斯曼增材制造副总裁Hugo da Silva表示：“在帝斯曼增材制造业，我们相信与行业合作伙伴的合作是推动行业发展的关键，与Fortify合作，使我们能够开发用于DLP技术的高性能复合材料，使该技术适用于要求苛刻的应用中的功能部件。” 通过利用DCM，Fortify在硬件和纤维加工方面的专业知识和专业知识将立即提高DSM树脂的机械性能。此外，Fortify和DCM平台将成为帝斯曼3D打印材料的分销渠道。 大多数3D打印平台都是关闭的，将树脂的使用限制在3D打印机公司自己生产的树脂上。通过Fortify光纤平台，Fortify邀请供应商与Fortify材料科学家和工程师一起开发高性能树脂。合作伙伴可以正确利用复合材料的强大功能，而无需构建Fortify提供的内部专业知识。（来源：中国纤维复材网） 复合材料3D打印传感器 可检测水含量 由马德里自治大学（UAM）的Pilar Amo-Ochoa带领的西班牙-以色列科学家团队开发了一种多功能3D打印塑料复合传感器，能够检测微量水。 3D打印的材料是无毒的，在潮湿条件下颜色从紫色变为蓝色。 科学家Michael Wharmby解释说：“了解特定环境或材料中存在多少水是很重要的，例如，如果油中含有过多的水，则可能无法很好地润滑机器，如果燃油中含有过多的水，则可能无法正常燃烧。” 科学家的新型传感器材料是一种所谓的铜基配位聚合物，一种水分子与中心铜原子结合的化合物。他们使用Deutsches Elektronen-Synchrotron（DESY）光源PETRA III来分析加热时材料的变化。“将化合物加热到60摄氏度时，颜色从蓝色变为紫色，”Pilar Amo-Ochoa报道。将材料加热至60℃，除去与铜原子结合的水分子，最终引起颜色变化。 “这种变化可以通过将其置于空气中，将其置于水中，或将其置于含有微量水的溶剂中来逆转。” 在理解了这一点之后，我们能够对这种变化的物理模型进行建模，”马德里材料科学研究所（ICMM-CSIC）的JoséIgnacioMartínez解释道。然后科学家们将铜化合物混合成3D打印墨水，并在几种不同的形状下打印传感器，这些传感器在空气和水中进行测试。这些测试表明，3D打印物体对水的存在比对化合物本身更敏感。在溶剂中，打印传感器可在不到两分钟的时间内检测到0.3％至4％的水。 如果在无水溶剂中干燥或通过加热干燥，则材料变回紫色。详细的调查表明，即使在许多加热循环中材料也是稳定的，并且铜化合物均匀地分布在整个打印传感器中。此外，该材料在空气中在至少一年内是稳定的，并且在生物相关的pH范围内也是5至7。 “这项工作展示了第一个由无孔配位聚合物制成的3D打印复合材料，”共同作者马德里自治大学的FélixZamora说。“在功能性3D打印领域，它打开了使用这一大系列化合物的大门，这些化合物易于合成并具有有趣的磁性，导电性和光学性质。” 正如科学家在“Advanced Functional Materials”杂志上所写的那样，这一发展为新一代3D可打印功能材料的产生打开了大门。
    185浏览量
    原文链接

  • 《美国陆军表征连续3D打印碳纤维增强热塑性复合材料零件》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-12-05
    • 美国密歇根州陆军坦克、汽车研究开发和工程中心（TARDEC）的三位研究人员最近发表了一项名为“通过熔融长丝制造连续纤维增强复合材料表征”的研究，该研究用于连续碳在Mark Two 3D打印机上打印纤维增强热塑性复合材料部件。 研究人员表示：“目前的工作重点是通过连续长丝制造（CFF）连续纤维增强样品的拉伸性能。在有和没有连续碳纤维增强的情况下，在多个方向上测试样品。当将0碳纤维增强试样与没有连续增强的试样进行比较时，平均屈服强度，拉伸强度和弹性模量分别增加20倍，15倍和240倍。当将具有90取向连续增强的试样的结果与0试样进行比较时，屈服强度下降60％，拉伸强度下降62％，弹性模量下降52％。这些结果表明，当垂直于纤维取向施加载荷时，机械性能明显降低。通过垂直竖立在印刷床上的印刷样品测试相邻层之间的粘合性。这些样本的所有样本的强度最低。作者建议按照ASTM D3039-17使用带有粘接片的矩形样品进行测试，以减少样本遇到的纤维排列问题。” 由于大多数3D打印部件是自下而上构建的，因此平面外材料特性比平面内部特性要弱。当连续纤维发生面内印刷时，完成的部件可以具有增加的刚度和面内强度，但是研究人员并不清楚连续纤维增强件如何影响制造部件的机械各向异性。 “为了让设计工程师在结构应用中使用连续纤维增强AM部件，他们将需要这些材料的三维机械性能，”研究人员解释说。研究人员在他们的研究中使用了Markforged的尼龙基热塑性Onyx，以及涂有粘合剂材料的连续碳纤维丝束，以及3D打印的几个试样，以便更好地了解连续碳纤维对多少影响： 第1组：Onyx（平面内，尼龙/碳塑料）：ID＃1-1,1-2,1-3 第2组：0纤维（面内，对齐的碳纤维）:: ID＃2-1,2-2,2-3 第3组：90纤维（面内，垂直于碳纤维）：ID＃3-1,3-2,3-3 第4组：z方向（平面外，垂直于碳纤维）：ID＃4-1,4-2,4-3 为了使分析更容易，该团队仅测试了具有单向纤维取向的样品。第一组中的纯Onyx样品厚度为1.8 mm用作基线，而第2组的0°样品在屋顶和地板上有两个0.125 mm的Onyx层，侧壁上有两个Onyx层，其余部分填充碳纤维，“拉伸方向纵向拉伸，进行拉伸试验”。“附加试样3-1,3-2和3-3印有垂直于拉伸拉伸方向取向的纤维。这些标本在屋顶，地板和墙壁上的厚度与前一组标本相同，“研究人员解释说。 “值得注意的是，对于这些样品，由于纤维的取向垂直于拉伸方向，因此打印头必须在测量部分内转角，因此，测量部分内的纤维取向不是完全单向的。” 第4组样品垂直3D打印，并测试纤维增强层之间的粘合性评估。然后，研究人员对Onyx样品进行了热重分析（TGA）和傅里叶变换红外（FTIR）分析，以便更好地了解材料的热特性;还进行了拉伸试验，直到样品完全失效。“当将0碳纤维增强样品与纯on玛瑙样品进行比较时，机械性能增加了几个数量级，”研究人员解释说。 “例如，平均屈服强度，拉伸强度和弹性模量分别增加20倍，15倍和240倍。当比较纤维增强样品与Onyx材料的机械性能时，机械性能的显着改善与传统的层压复合材料一致，其中单向样品的强度和刚度比均质环氧垫高几个数量级。
    235浏览量
    原文链接