LITA 3D打印技术：用于聚合物复合材料的经济高效的新工艺

aau讯（编辑 凌琦韵）对于连续碳纤维和热固性聚合物的复合材料，现在可以用一种新的3D打印技术来进行打印。这种复合材料强度高、重量轻，在航空航天、汽车等许多行业中都有着应用。

3D打印作为一种快速而简单的制作技术正在经历迅速发展。各种材料，如聚合物、金属和生物材料已经被用于3D打印。这一过程也被称为增材制造，包括通过一层一层地沉积材料，然后融合所有的层来构建复杂的3D形状。

聚合物复合材料是由聚合物与其他填充材料混合而成，其性能通常比单一聚合物要好得多。加入填料，如金属颗粒、无机颗粒和纤维，在保持复合材料重量较低的情况下提高了复合材料的机械性能。

3D打印技术已被用于打印聚合物复合材料从而制作出零部件。然而，迄今为止，只有热塑性聚合物，即加热后软化的聚合物以及脱脂的填料才能被成功地使用。

热固性聚合物一旦固化就不会软化。用热固性聚合物复合材料制造零件的常用方法是铺设聚合物带和在零件形状上放置或缠绕纤维，然后整个复合结构被固化。这一过程需要繁复的过程步骤且每个部分都需要准备模具，直到固化部分准备好。

虽然已经证明热塑性聚合物复合材料可以被3D打印，但它们的机械性能并不好，因为其中的填料不是连续的。此外，如果在3D打印中使用连续填充剂，除了能够使用热固性聚合物外，聚合物复合材料的性能也非常优异。

LITA3D打印工艺

而近日，特拉华大学的一组研究人员开发了一种3D打印方法，该方法允许使用热固性聚合物和连续碳纤维来制备聚合物复合材料。他们将这种技术称为“局部平面内热辅助(LITA) 3D打印”。

这项技术利用液体聚合物的吸芯或毛细作用来填充碳纤维之间的空间。碳纤维的铺设使得相邻的纤维之间有一个间隙，这使得液体聚合物能够被吸进纤维结构并环绕在纤维周围。如果纤维也是多孔的，聚合物可以注入到纤维中。

加热器在碳纤维上移动，产生温度梯度，一旦聚合物进入道碳纤维之间的空间，聚合物就会固化，形成三维结构。加热还会降低聚合物的粘度，改变其物理性质，并使聚合物更容易流动。加热也可以帮助聚合物完全湿润纤维而不会形成空隙。

由于聚合物在LITA 3D打印后不需要进一步固化，并且3D打印完成后就可以准备好零件，因此可以节省用于在典型过程中固化热固性聚合物的大量能量。

研究人员设计了一个机器人系统来执行LITA 3D打印。这个机器人系统有一个打印头和一个自动化的机器人手臂。打印头的特点是有一个用于涂胶的喷嘴、碳纤维的涂胶器和焦耳加热器。纤维通过卷轴的形式连续输送，机器手臂控制着打印头的运动。

LITA3D打印的潜在应用

由连续碳纤维和热固性聚合物制成的聚合物复合材料对于开发桥梁和飞机等工业应用中的高强度轻量化组件非常重要。

利用机器人系统，研究人员在基底或自由空间上打印组件。作者认为，在目前报道的3D打印聚合物复合材料中，使用LITA 3D打印技术打印的工业级碳纤维和液态环氧树脂部件的抗拉强度最好。

作者展示了不同类型的零件，如二维基片上的形状，三维星形，圆柱棒上的保角打印。

LITA3D打印工艺可以很容易地集成到目前的复合材料制造工艺中，并可与许多热固化聚合物一起使用。此外，还可以使用碳纤维和其他导热纤维。

由于这个过程不需要额外的固化步骤，这可能需要几个小时，因此可以节省大量的能源。LITA 3D打印工艺也比目前的工艺快得多。该工艺的另一个优点是它在制造复杂形状时的可靠性和可重复性。

作者还表示，LITA 3D打印工艺可以降低劳动力和模具成本，同时也可以产生几乎没有缺陷的形状。

此外，LITA 3D打印工艺比目前制造热固性聚合物复合材料的其他工艺要便宜得多，因为它大大节省了能源，并且省去了许多传统步骤。因此，该技术在聚合物复合材料制造方面具有巨大的潜力，可以使复杂形状的制造变得简单且节约成本。