復(fù)合材料技術(shù)在3d打印中的應(yīng)用

0織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單纖維增強(qiáng)和層合材料在航空航天和海上交通等領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。

】）機(jī)織物（wovenfabric）:二維機(jī)織物是經(jīng)紗和緯紗互相垂直交織在一起形成的織物。其

基本組織有平紋（徑：緯=1:1）、斜紋（徑：緯=2：2）和緞紋（徑：緯=1：4、1：5或1：8）

三種形式。三維機(jī)織物是由三個(gè)互相垂直方向的紗線構(gòu)成的紡織制品。

2）針織物（Knitting）:用織針將紗線或纖維構(gòu)成線圈，再把線圈相互串套而成。針織物大

致可以分為經(jīng)編針織物和緯編針織物兩大類。經(jīng)編針織物是一組或幾組平行排列的紗線，

按徑向喂入，彎曲成圈并互相串套;緯編針織物和經(jīng)編針織物剛好相反。

3）編織物（Braidedfabric）:沿織物成型方向三根或多根纖維（或紗線）按不同的規(guī)律運(yùn)動(dòng),

從而使纖維傾斜交叉，并互相交織在一起形成織物。和機(jī)織物的區(qū)別在于其編織角度可以

士0（一般10°W0《85°）,而不用互相垂直.

4）縫紉（Stitching）:在層合板厚度方向通過(guò)縫紉引入較少的高拉伸強(qiáng)度的紗線或纖維，大

大提高了復(fù)合材料的層間斷裂韌性、沖擊損傷容限等。實(shí)際生產(chǎn)中用芳綸纖維作為紗線比

較多，具有較好的剪切強(qiáng)度和耐磨性能，且斷頭率低。

由表1可知，三維編織技術(shù)的面內(nèi)和層間性能都比較好，而且適用于復(fù)雜外形的制件，綜

合性能比較適合動(dòng)部件的制造。以下對(duì)三維編織技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1維織造復(fù)合材料

編織復(fù)合材料是指將纖維編織成預(yù)型件并與基體材料復(fù)合而成的復(fù)合材料。預(yù)型件一般通

過(guò)三維編織機(jī)完成。到了20世紀(jì)50年代初

20世紀(jì)80年代，三維編織技術(shù)的出現(xiàn)帶來(lái)了復(fù)合材料技術(shù)的一場(chǎng)革命。三維編織復(fù)合材

料不需要縫合和機(jī)械加工，具有良好的綜合性能指標(biāo)，制件可一次成型復(fù)雜的零部件，并

可與第三相復(fù)合形成力學(xué)性能優(yōu)良的制品。三維編織復(fù)合材料基于以上優(yōu)點(diǎn)被稱為第三代

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，與層合復(fù)合材料相比，三維編織復(fù)合材料在改進(jìn)層間強(qiáng)度、損傷容限

和熱應(yīng)力失配等方面，具有巨大的潛力。另外，三維編織材料的細(xì)觀可設(shè)計(jì)性使得該類復(fù)

合材料的宏觀力學(xué)性能優(yōu)化成為可能。

1985年，由美國(guó)航空航天局（NASA）主持開始了先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)（ACT）發(fā)展計(jì)劃

美國(guó)的許多單位開展了三維異型整體編織復(fù)合材料的織造工藝、織物內(nèi)部纖維集合結(jié)構(gòu)及

其對(duì)性能的影響、材料性能分析和預(yù)測(cè)、三維整體編織復(fù)合材料應(yīng)用等研究

在歐洲，由德國(guó)奔馳公司和亞琛大學(xué)聯(lián)合致力于開發(fā)新一代三維編織機(jī);英、法兩國(guó)也在

發(fā)展先進(jìn)紡織復(fù)合材料。日本發(fā)展先進(jìn)紡織復(fù)合材料始于20世紀(jì)80年代初期，在紡織復(fù)

合材料領(lǐng)域做了系統(tǒng)的研究工作。俄羅斯、澳大利亞、韓國(guó)和印度等國(guó)在先進(jìn)紡織復(fù)合材

料領(lǐng)域也開展了大量的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。

目前，采用三維紡織復(fù)合材料可以制作飛行器、汽車等上面的多種不同形狀的承力梁、接

頭，多種形式的耐燒蝕、具備承力的圓筒型、錐筒型制件，還可以在人造生物組織方面發(fā)

揮作用，制作人造骨、人造韌帶以及接骨板等。并且，三維紡織復(fù)合材料具備其它材料所

無(wú)法達(dá)到的性能，這就為許多領(lǐng)域提供了一種理想的新材料，從而促進(jìn)許多領(lǐng)域的發(fā)展。

總之，三維紡織復(fù)合材料具有廣泛的應(yīng)用前景，是許多高新技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的一種新材

料。

2機(jī)械編織機(jī)的發(fā)展

三維編織復(fù)合材料的編織工藝有兩步法、四步法、多層聯(lián)結(jié)編織法和多步法等，其中四步

法和兩步法是目前該領(lǐng)域使用最主要的兩種方法。四步法是在Florentine于1982年發(fā)明

的一種編織工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的

三維編織設(shè)備是三維編織復(fù)合材料技術(shù)的關(guān)鍵之一，因?yàn)橹谱魅S編織復(fù)合材料難以離開

機(jī)械化程度較高的編織機(jī),20世紀(jì)90年代，編織機(jī)在技術(shù)上取得了很大的突破，各種機(jī)

械化、微機(jī)化的編織機(jī)大量出現(xiàn)。1993年5月美國(guó)舉行的第38屆國(guó)際尖端材料學(xué)術(shù)年會(huì)

上，展出了美、日、法多家公司研制的三維全自動(dòng)編織機(jī)及三維織物，其中一些已實(shí)現(xiàn)了

CAD/CAM集成，從而使人們多年來(lái)期待的三維編織結(jié)構(gòu)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的工業(yè)生產(chǎn)變

成現(xiàn)實(shí)。在國(guó)內(nèi)，天津紡織工學(xué)院（現(xiàn)天津工業(yè)大學(xué)）、南京玻璃纖維研究院及國(guó)防科技大

學(xué)等單位先后研制了三維編織機(jī)。其中天津工業(yè)大學(xué)經(jīng)過(guò)20多年的努力，研制出了二程

應(yīng)用的三維編織裝備，主要有計(jì)算機(jī)控制的大型三維編織設(shè)備、多臺(tái)組合式三維編織設(shè)備,

解決了織造不同織物結(jié)構(gòu)和不同形狀制件的關(guān)鍵設(shè)備問題。

2.1旋轉(zhuǎn)軸紗與針織紗的運(yùn)動(dòng)原理

二步法采用兩組基本紗線，一組是固定不動(dòng)的紗線，稱為軸紗；另一組稱為編織紗，籽軸

線束緊。軸紗以立體編織物的成型方向（軸向）在結(jié)構(gòu)中基本成為一直線，并按其主體編織

物的橫截面形狀分布;而編織紗以一定的式樣在軸紗之間運(yùn)動(dòng)，靠其張力束緊軸紗，穩(wěn)定

立體編織的橫截面形狀。編織紗線的運(yùn)動(dòng)由兩步運(yùn)動(dòng)組成，如圖3:在第一步中，編織紗線

以圖中箭頭所指的水平方司和范圍運(yùn)動(dòng)，圖中相鄰的紗線運(yùn)動(dòng)方向相反;第二步中，編織

紗以圖中箭頭所指的垂直方向和范圍運(yùn)動(dòng)，其中相鄰的紗線運(yùn)動(dòng)方向相反。這樣就完成了

編織運(yùn)動(dòng)的一個(gè)循環(huán)，然后循環(huán)重復(fù)這兩步。此編織方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是幾乎可以編織任何

橫截面的立體編織物。該編織方法的運(yùn)動(dòng)較簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)零件少，所以比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

2.2步法三維織造

立體編織物按其橫截面的形狀來(lái)分有兩大類:第一類的橫截面為矩形與矩形組合形狀(如工

字型等)；第二類的橫截面為圓形，如圓管狀、錐管狀立體編織物。四步法三維編織是所有

參加編織的紗線都沿同一方向排列

在上述運(yùn)動(dòng)中，紗線橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)只移動(dòng)一個(gè)位置，紗線縱向運(yùn)動(dòng)也只移動(dòng)一個(gè)位置，所以

稱為1X1式樣。除此之外，還可以1X2,1X3,2X3式樣。

從圖7可以看出，基本四步法三維編織復(fù)合材料內(nèi)部紗線在空間的取向?yàn)?個(gè)方向，如果

在不同方向加入軸紗，就可以形成三維五向、三維六向和三維七向等結(jié)構(gòu)。纖維不但在平

面內(nèi)互相交織在一起，而且通過(guò)厚度方向，在三維空間也交織在一起，形成一個(gè)不分層的

整體結(jié)構(gòu)。

3其他成型工藝

三維整體編織復(fù)合材料的成型工藝主要有模壓成型、擠拉成型、真空浸漬成型、RTM成型

和VAR-TM成型等，其中以RTM(樹脂傳遞模塑)工藝和真空浸漬法最為常用。

3.1rtm成型工藝

RTM是樹脂傳遞模塑工藝(ResinTransferMolding),一般指在模具的型腔里預(yù)先放置增

強(qiáng)材料，夾緊后，在一定的溫度和壓力下將樹脂注入模具，浸漬織物增強(qiáng)體并固化，最后

脫模得到制品的復(fù)合工藝，RTM成型工藝是從濕法鋪層沏注塑工藝演衍出來(lái)的一種新的復(fù)

合材料成型工藝，是目前航天航空先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展方向之一

DRTM工藝最適合于生產(chǎn)尺寸較大、外形結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的產(chǎn)品。其制品具有內(nèi)外表面光滑,

尺寸精確，孔隙率低(可控制在1%范圍內(nèi))，性能穩(wěn)定等優(yōu)良性能。

2)RTM工藝可以減少環(huán)境污染，提高環(huán)保水平。RTM法屬于閉模操作系統(tǒng)，減少了操作者

與有害物質(zhì)的接觸，有效地控制了有害氣體的揮發(fā)，達(dá)到環(huán)保要求。

3)具有良好的綜合經(jīng)濟(jì)效益，適合于中等規(guī)模生產(chǎn)需求量的制品。在設(shè)備投資上由r?降低

了成型壓力，節(jié)省了壓機(jī)設(shè)備，RTM的總投資低于纏繞、模壓成型等工藝。

RTM技術(shù)的發(fā)展很快，目前在此基礎(chǔ)上衍生了一些特殊的RTM技術(shù)，主要有真空輔助

RTM(VAR-TM)s壓縮RTM(CRTM)、樹脂膜滲透成型(RFI)、熱膨脹RTM(TERTM)、柔性

RTM(FRTM)和共注射RTM(CIRTM)等。

3.2真空脫氣、固化模具的制備

相比RTM工藝，真空浸漬法簡(jiǎn)單方便。其制備工藝如下:先將環(huán)氧樹脂基體加熱至某一溫

度，進(jìn)行真空脫氣處理，然后注入到預(yù)先鋪好三維織物的模具內(nèi)，再次抽真空脫氣，待氣

泡完全排出后，按所需溫度進(jìn)行固化，冷卻后脫模即可。但是該成型方法形成的制件孔隙

率比較高，大概在3%?5冬之間，適合于強(qiáng)度要求較低的制件成型。

4研究三大材料理論

4.1幾何模型的建立及完善

要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)三維編織復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能，正確地描述其細(xì)觀結(jié)構(gòu)的幾何特性是首先

開展的研究工作。針對(duì)二步法、四步法三維編織復(fù)合材料，人們進(jìn)行了大量的研究并建立

了不同細(xì)觀結(jié)構(gòu)幾何模型

進(jìn)入90年代，人們開始對(duì)三維編織復(fù)合材料的成型、編制程序以及纖維在編織過(guò)程內(nèi)的

走向等進(jìn)行了更加深入的研究，得到了更為完善、合埋的編織復(fù)合材料幾何模型。具中Du

和Ko介紹了四種不同的三維編織復(fù):合材料的編織方式，通過(guò)單元胞體的方法建立了復(fù)合

材料的幾何模型，給出了纖維編織角和纖維體積百分比與關(guān)鍵編織參數(shù)間的關(guān)系。吳德隆

提出了以四步法編織為基礎(chǔ)的三單胞集幾何模型（內(nèi)部單胞、面部單胞和角部單胞），如圖

8。Wang等人詳細(xì)分析了1X1四步法三維編織過(guò)程，給出了纖維束在編織過(guò)程中的運(yùn)行方

式以及纖維束之間的相互關(guān)系，提出了用控制體的方法來(lái)表征纖維束的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

Byun和Chou全面地研究了三維二步和三維四步法編織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，分析了單元

胞體的集合結(jié)構(gòu)，確定了關(guān)鍵的編織參數(shù)、纖維束擠壓的限制性集合條件、纖維的取向角

與纖維體積百分比的關(guān)系,Pandey和Hahn從工藝角度出發(fā)，用CAD建立幾何模型，再現(xiàn)

了三維編織復(fù)合材料的代表性體積單元和復(fù)合材料的內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并提出紗線的屈曲幾

何形狀依賴于打緊程度和編織速度的觀點(diǎn)。陳利等采用控制體積單元法和試驗(yàn)相結(jié)合的方

法，根據(jù)編織運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將預(yù)制件分為三個(gè)區(qū)域，進(jìn)一步將單胞幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)分，識(shí)別

了局部單胞模型，同時(shí)考志了編織紗線的填充因子，分析了各編織工藝參數(shù)之間的關(guān)系。

龐寶君、杜善義等以三維四向編織復(fù)合材料為對(duì)象，從幾何角度建立了材料單胞的組織結(jié)

構(gòu)模型，討論了單胞的內(nèi)部纖維束在空間上的分布規(guī)律，并進(jìn)行「試驗(yàn)驗(yàn)證。徐孝誠(chéng)、黃

小平等對(duì)1X1四步法三維編織幾何胞體模型進(jìn)行了修正，進(jìn)一步完善了單胞劃分方法。

2001年，\Ialdko等介紹了多種矩形橫截面及其組合和矩形中空橫截面的三維編織工藝，

提出了紗線陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)公式。

在上述研究中，對(duì)三維編織復(fù)合材料的性能研究一般都采用單胞法兒何模型。截至目前，

以不同區(qū)域劃分的單胞幾何模型對(duì)三維編織復(fù)合材料的性能預(yù)測(cè)結(jié)果認(rèn)為是最為理想的。

對(duì)三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)及其幾何模型的研究，從使用單純的“米”字型大單胞到采

用逐步改進(jìn)的多胞體幾何模型的研究，較為真實(shí)地反映了三維編織復(fù)合材料的細(xì)觀幾何結(jié)

構(gòu)。

4.2維織造復(fù)合材料的強(qiáng)度準(zhǔn)則與認(rèn)定

編織復(fù)合材料力學(xué)性能的理論研究主要有細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)模型研究和數(shù)值仿真研究。大量研

究表明

強(qiáng)度準(zhǔn)則是強(qiáng)度研究的基本問題。隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，眾多學(xué)者將各向同性材料的

強(qiáng)度準(zhǔn)則以新的表現(xiàn)形式應(yīng)用于復(fù)合材料，這些強(qiáng)度準(zhǔn)則有最大應(yīng)力（應(yīng)變）準(zhǔn)則、Tsai-

Hill準(zhǔn)則、Hoffman準(zhǔn)則、Tsai-Wu多項(xiàng)式準(zhǔn)則和比應(yīng)變能密度準(zhǔn)則。但是，由于三維編

織復(fù)合材料的出現(xiàn)與應(yīng)用相對(duì)較晚，對(duì)強(qiáng)度方面的有關(guān)問題，國(guó)內(nèi)外研究很少。而對(duì)于最

基本的強(qiáng)度準(zhǔn)則來(lái)講，則可以說(shuō)并未建立適合于三維編織復(fù)合材料的強(qiáng)度準(zhǔn)則。盡管國(guó)內(nèi)

外都有學(xué)者對(duì)這一問題進(jìn)行了初步研究，但基本上是沿用現(xiàn)有的強(qiáng)度準(zhǔn)則，并假定在平面

應(yīng)力狀態(tài)加以考慮。由于現(xiàn)有準(zhǔn)則都是針對(duì)傳統(tǒng)層合板即二維材料提出來(lái)的，因此將它們

直接運(yùn)用在三維編織復(fù)合材料的強(qiáng)度校驗(yàn)中會(huì)產(chǎn)生一些問題。因此有必要通過(guò)理論研究與

試驗(yàn)驗(yàn)證等手段，建立真正適合于三維編織復(fù)合材料的強(qiáng)度準(zhǔn)則。

在現(xiàn)有準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，研究其三維表現(xiàn)形式，分析其運(yùn)用情況，確定最適合于三維編織復(fù)

合材料的強(qiáng)度準(zhǔn)則，不失為一種較好的方法。有些學(xué)者采用Tsai-Hill準(zhǔn)則對(duì)三維編織復(fù)

合材料的強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，Tsai-Hill準(zhǔn)則的表達(dá)式是二維的，在三維編織復(fù)合材料的強(qiáng)

度計(jì)算中，必須把三維應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三個(gè)平面應(yīng)力狀態(tài)分別加以考慮。這樣就無(wú)法反映

三維編織復(fù)合材料的整體性能，而且使計(jì)算過(guò)程非常復(fù)雜。只有在比較小的編織角

（0W15°）的情況下，該準(zhǔn)則才能較好地應(yīng)用于三維編織復(fù)合材料的強(qiáng)度計(jì)算。還有學(xué)者

則在研究三維編織復(fù)合材料的強(qiáng)度時(shí)，把材料的基