复合材料技术在3d打印中的应用

复合材料技术在3d打印中的应用

0织物组织结构设计

单纤维增强和层合材料在航空航天和海上交通等领域得到了成功应用。

】）机织物（wovenfabric）:二维机织物是经纱和纬纱互相垂直交织在一起形成的织物。其

基本组织有平纹（径：纬=1:1）、斜纹（径：纬=2：2）和缎纹（径：纬=1：4、1：5或1：8）

三种形式。三维机织物是由三个互相垂直方向的纱线构成的纺织制品。

2）针织物（Knitting）:用织针将纱线或纤维构成线圈，再把线圈相互串套而成。针织物大

致可以分为经编针织物和纬编针织物两大类。经编针织物是一组或几组平行排列的纱线，

按径向喂入，弯曲成圈并互相串套;纬编针织物和经编针织物刚好相反。

3）编织物（Braidedfabric）:沿织物成型方向三根或多根纤维（或纱线）按不同的规律运动,

从而使纤维倾斜交叉，并互相交织在一起形成织物。和机织物的区别在于其编织角度可以

士0（一般10°W0《85°）,而不用互相垂直.

4）缝纫（Stitching）:在层合板厚度方向通过缝纫引入较少的高拉伸强度的纱线或纤维，大

大提高了复合材料的层间断裂韧性、冲击损伤容限等。实际生产中用芳纶纤维作为纱线比

较多，具有较好的剪切强度和耐磨性能，且断头率低。

由表1可知，三维编织技术的面内和层间性能都比较好，而且适用于复杂外形的制件，综

合性能比较适合动部件的制造。以下对三维编织技术的发展进行简要介绍。

1维织造复合材料

编织复合材料是指将纤维编织成预型件并与基体材料复合而成的复合材料。预型件一般通

过三维编织机完成。到了20世纪50年代初

20世纪80年代，三维编织技术的出现带来了复合材料技术的一场革命。三维编织复合材

料不需要缝合和机械加工，具有良好的综合性能指标，制件可一次成型复杂的零部件，并

可与第三相复合形成力学性能优良的制品。三维编织复合材料基于以上优点被称为第三代

纤维增强复合材料，与层合复合材料相比，三维编织复合材料在改进层间强度、损伤容限

和热应力失配等方面，具有巨大的潜力。另外，三维编织材料的细观可设计性使得该类复

合材料的宏观力学性能优化成为可能。

1985年，由美国航空航天局（NASA）主持开始了先进复合材料技术（ACT）发展计划

美国的许多单位开展了三维异型整体编织复合材料的织造工艺、织物内部纤维集合结构及

其对性能的影响、材料性能分析和预测、三维整体编织复合材料应用等研究

在欧洲，由德国奔驰公司和亚琛大学联合致力于开发新一代三维编织机;英、法两国也在

发展先进纺织复合材料。日本发展先进纺织复合材料始于20世纪80年代初期，在纺织复

合材料领域做了系统的研究工作。俄罗斯、澳大利亚、韩国和印度等国在先进纺织复合材

料领域也开展了大量的基础和应用研究。

目前，采用三维纺织复合材料可以制作飞行器、汽车等上面的多种不同形状的承力梁、接

头，多种形式的耐烧蚀、具备承力的圆筒型、锥筒型制件，还可以在人造生物组织方面发

挥作用，制作人造骨、人造韧带以及接骨板等。并且，三维纺织复合材料具备其它材料所

无法达到的性能，这就为许多领域提供了一种理想的新材料，从而促进许多领域的发展。

总之，三维纺织复合材料具有广泛的应用前景，是许多高新技术领域不可缺少的一种新材

料。

2机械编织机的发展

三维编织复合材料的编织工艺有两步法、四步法、多层联结编织法和多步法等，其中四步

法和两步法是目前该领域使用最主要的两种方法。四步法是在Florentine于1982年发明

的一种编织工艺的基础上发展起来的

三维编织设备是三维编织复合材料技术的关键之一，因为制作三维编织复合材料难以离开

机械化程度较高的编织机,20世纪90年代，编织机在技术上取得了很大的突破，各种机

械化、微机化的编织机大量出现。1993年5月美国举行的第38届国际尖端材料学术年会

上，展出了美、日、法多家公司研制的三维全自动编织机及三维织物，其中一些已实现了

CAD/CAM集成，从而使人们多年来期待的三维编织结构的纤维增强复合材料的工业生产变

成现实。在国内，天津纺织工学院（现天津工业大学）、南京玻璃纤维研究院及国防科技大

学等单位先后研制了三维编织机。其中天津工业大学经过20多年的努力，研制出了二程

应用的三维编织装备，主要有计算机控制的大型三维编织设备、多台组合式三维编织设备,

解决了织造不同织物结构和不同形状制件的关键设备问题。

2.1旋转轴纱与针织纱的运动原理

二步法采用两组基本纱线，一组是固定不动的纱线，称为轴纱；另一组称为编织纱，籽轴

线束紧。轴纱以立体编织物的成型方向（轴向）在结构中基本成为一直线，并按其主体编织

物的横截面形状分布;而编织纱以一定的式样在轴纱之间运动，靠其张力束紧轴纱，稳定

立体编织的横截面形状。编织纱线的运动由两步运动组成，如图3:在第一步中，编织纱线

以图中箭头所指的水平方司和范围运动，图中相邻的纱线运动方向相反;第二步中，编织

纱以图中箭头所指的垂直方向和范围运动，其中相邻的纱线运动方向相反。这样就完成了

编织运动的一个循环，然后循环重复这两步。此编织方法的一个优点是几乎可以编织任何

横截面的立体编织物。该编织方法的运动较简单，运动零件少，所以比较容易实现自动化。

2.2步法三维织造

立体编织物按其横截面的形状来分有两大类:第一类的横截面为矩形与矩形组合形状(如工

字型等)；第二类的横截面为圆形，如圆管状、锥管状立体编织物。四步法三维编织是所有

参加编织的纱线都沿同一方向排列

在上述运动中，纱线横向运动时只移动一个位置，纱线纵向运动也只移动一个位置，所以

称为1X1式样。除此之外，还可以1X2,1X3,2X3式样。

从图7可以看出，基本四步法三维编织复合材料内部纱线在空间的取向为4个方向，如果

在不同方向加入轴纱，就可以形成三维五向、三维六向和三维七向等结构。纤维不但在平

面内互相交织在一起，而且通过厚度方向，在三维空间也交织在一起，形成一个不分层的

整体结构。

3其他成型工艺

三维整体编织复合材料的成型工艺主要有模压成型、挤拉成型、真空浸渍成型、RTM成型

和VAR-TM成型等，其中以RTM(树脂传递模塑)工艺和真空浸渍法最为常用。

3.1rtm成型工艺

RTM是树脂传递模塑工艺(ResinTransferMolding),一般指在模具的型腔里预先放置增

强材料，夹紧后，在一定的温度和压力下将树脂注入模具，浸渍织物增强体并固化，最后

脱模得到制品的复合工艺，RTM成型工艺是从湿法铺层沏注塑工艺演衍出来的一种新的复

合材料成型工艺，是目前航天航空先进复合材料的发展方向之一

DRTM工艺最适合于生产尺寸较大、外形结构比较复杂的产品。其制品具有内外表面光滑,

尺寸精确，孔隙率低(可控制在1%范围内)，性能稳定等优良性能。

2)RTM工艺可以减少环境污染，提高环保水平。RTM法属于闭模操作系统，减少了操作者

与有害物质的接触，有效地控制了有害气体的挥发，达到环保要求。

3)具有良好的综合经济效益，适合于中等规模生产需求量的制品。在设备投资上由r•降低

了成型压力，节省了压机设备，RTM的总投资低于缠绕、模压成型等工艺。

RTM技术的发展很快，目前在此基础上衍生了一些特殊的RTM技术，主要有真空辅助

RTM(VAR-TM)s压缩RTM(CRTM)、树脂膜渗透成型(RFI)、热膨胀RTM(TERTM)、柔性

RTM(FRTM)和共注射RTM(CIRTM)等。

3.2真空脱气、固化模具的制备

相比RTM工艺，真空浸渍法简单方便。其制备工艺如下:先将环氧树脂基体加热至某一温

度，进行真空脱气处理，然后注入到预先铺好三维织物的模具内，再次抽真空脱气，待气

泡完全排出后，按所需温度进行固化，冷却后脱模即可。但是该成型方法形成的制件孔隙

率比较高，大概在3%〜5冬之间，适合于强度要求较低的制件成型。

4研究三大材料理论

4.1几何模型的建立及完善

要准确预测三维编织复合材料的宏观力学性能，正确地描述其细观结构的几何特性是首先

开展的研究工作。针对二步法、四步法三维编织复合材料，人们进行了大量的研究并建立

了不同细观结构几何模型

进入90年代，人们开始对三维编织复合材料的成型、编制程序以及纤维在编织过程内的

走向等进行了更加深入的研究，得到了更为完善、合埋的编织复合材料几何模型。具中Du

和Ko介绍了四种不同的三维编织复:合材料的编织方式，通过单元胞体的方法建立了复合

材料的几何模型，给出了纤维编织角和纤维体积百分比与关键编织参数间的关系。吴德隆

提出了以四步法编织为基础的三单胞集几何模型（内部单胞、面部单胞和角部单胞），如图

8。Wang等人详细分析了1X1四步法三维编织过程，给出了纤维束在编织过程中的运行方

式以及纤维束之间的相互关系，提出了用控制体的方法来表征纤维束的拓扑结构。

Byun和Chou全面地研究了三维二步和三维四步法编织复合材料的细观结构，分析了单元

胞体的集合结构，确定了关键的编织参数、纤维束挤压的限制性集合条件、纤维的取向角

与纤维体积百分比的关系,Pandey和Hahn从工艺角度出发，用CAD建立几何模型，再现

了三维编织复合材料的代表性体积单元和复合材料的内部复杂结构，并提出纱线的屈曲几

何形状依赖于打紧程度和编织速度的观点。陈利等采用控制体积单元法和试验相结合的方

法，根据编织运动规律，将预制件分为三个区域，进一步将单胞几何结构进行细分，识别

了局部单胞模型，同时考志了编织纱线的填充因子，分析了各编织工艺参数之间的关系。

庞宝君、杜善义等以三维四向编织复合材料为对象，从几何角度建立了材料单胞的组织结

构模型，讨论了单胞的内部纤维束在空间上的分布规律，并进行「试验验证。徐孝诚、黄

小平等对1X1四步法三维编织几何胞体模型进行了修正，进一步完善了单胞划分方法。

2001年，\Ialdko等介绍了多种矩形横截面及其组合和矩形中空横截面的三维编织工艺，

提出了纱线阵列的优化设计公式。

在上述研究中，对三维编织复合材料的性能研究一般都采用单胞法儿何模型。截至目前，

以不同区域划分的单胞几何模型对三维编织复合材料的性能预测结果认为是最为理想的。

对三维编织复合材料细观结构及其几何模型的研究，从使用单纯的“米”字型大单胞到采

用逐步改进的多胞体几何模型的研究，较为真实地反映了三维编织复合材料的细观几何结

构。

4.2维织造复合材料的强度准则与认定

编织复合材料力学性能的理论研究主要有细观结构力学模型研究和数值仿真研究。大量研

究表明

强度准则是强度研究的基本问题。随着复合材料的广泛应用，众多学者将各向同性材料的

强度准则以新的表现形式应用于复合材料，这些强度准则有最大应力（应变）准则、Tsai-

Hill准则、Hoffman准则、Tsai-Wu多项式准则和比应变能密度准则。但是，由于三维编

织复合材料的出现与应用相对较晚，对强度方面的有关问题，国内外研究很少。而对于最

基本的强度准则来讲，则可以说并未建立适合于三维编织复合材料的强度准则。尽管国内

外都有学者对这一问题进行了初步研究，但基本上是沿用现有的强度准则，并假定在平面

应力状态加以考虑。由于现有准则都是针对传统层合板即二维材料提出来的，因此将它们

直接运用在三维编织复合材料的强度校验中会产生一些问题。因此有必要通过理论研究与

试验验证等手段，建立真正适合于三维编织复合材料的强度准则。

在现有准则的基础上，研究其三维表现形式，分析其运用情况，确定最适合于三维编织复

合材料的强度准则，不失为一种较好的方法。有些学者采用Tsai-Hill准则对三维编织复

合材料的强度进行了计算，Tsai-Hill准则的表达式是二维的，在三维编织复合材料的强

度计算中，必须把三维应力状态转化为三个平面应力状态分别加以考虑。这样就无法反映

三维编织复合材料的整体性能，而且使计算过程非常复杂。只有在比较小的编织角

（0W15°）的情况下，该准则才能较好地应用于三维编织复合材料的强度计算。还有学者

则在研究三维编织复合材料的强度时，把材料的基