SMA 碳纤维复合材料3D 打印技术探究

刘曦泽

（吉林省长春市公主岭市职业教育中心 吉林 长春 136100）

0 引言

近几年，我国交通运输事业飞速发展，交通设施建设领域新工艺、新材料、新设备不断涌现。 沥青玛蹄脂碎石混合料（stone mastic asphalt，SMA）是新材料的代表，最早用于机场高速公路表面层，因高度稳定、高抗变形能力、优良耐久性等特性而备受公路面层施工方青睐。 将SMA 与碳纤维复合，可以进一步改善材料稳定性。 但是，传统生产技术无法保证SMA 碳纤维复合材料质量，3D 打印技术虽然可以完成SMA 碳纤维复合材料生产任务，但是打印期间易受温度、材料厚度、触头转动速度等诸多因素的影响。 因此，分析SMA 碳纤维复合材料3D 打印技术具有非常突出的现实意义。

1 SMA 材料分析

作为由沥青、纤维稳定剂、矿粉、细集料组成的材料，SMA 内部大粒径间断级配集料相互嵌入锁固（见图1），可以形成高度稳定骨架［1］。 同时科学掺加沥青、稳定剂、细集料，可以形成沥青砂胶，有效胶结骨架，确保材料结构在高温、低温状态下保持较好的水稳定性、耐久性以及抗滑性能。

图1 SMA 碳纤维复合材料上面层

由图1 所示，SMA 碳纤维复合材料结构为间断型密级配，粗集料较多，细集料（沥青矿粉）、填充料较少［2］。较多的粗集料相互接触，形成骨架；较少的细集料填充骨架形成空隙。 总体表现为：材料结构密实，沥青矿粉形成胶浆充分填充孔隙，结构内摩擦角、黏聚力均较强。

2 SMA 碳纤维复合材料在3D 打印中的应用

SMA 碳纤维复合材料3D 打印具有显著优势，需要借助直径一定的喷嘴挤出SMA 材料，逐层构建条带。

首先，设计配合比。 为提高SMA 碳纤维复合材料可打印性，在降低胶凝材料含量的同时，利用机制细集料代替天然细集料，细集料应洁净干燥可自由流动，无风化，不含杂质，不成团，粒径小于0.075 mm 颗粒含量超出10%，粒径小于2.36 mm 颗粒含量超出20%，粒径小于4.75 mm颗粒含量超出30%。 细集料可为坚硬石料轧制而成的砂，也可为石灰石磨细石料，胶凝材料使用量在600 kg/m3以上、1 060 kg/m3以内，质量分数为8%～12%，确保材料可挤出性。

3D 打印复合材料中粗级配骨料选择100%轧制近似立方体的石料，粗集料一般为直径8 mm 碎石（或卵石），相应材料强度高、质地坚硬，细长颗粒、扁平颗粒含量较少。 同时骨料质量分数应由传统SMA 材料骨料质量分数75%下降到45%～55%，水与胶凝材料比例为0.3。

SMA 碳纤维复合材料中沥青优选针入度小、软化点高、黏结性强的沥青，如掺加SBS 改性沥青，拌和时沥青黏度应达到150～190 mm/s，质量分数为6.5%～7.0%［3］。

根据提高3D 打印材料可造性、触变性要求，利用硅灰代替传统稳定剂，硅灰为400 目（38 μm）针状硅灰，质量分数为0.4%，其有助于超细纤维与沥青基体的结合（见图2），提高复合材料承载能力。

图2 硅灰与颗粒堆积图

在向SMA 材料中添加碳纤维时，根据碳纤维长度与SMA 材料流动性的关系，优选3 ～9 mm 长度的碳纤维，碳纤维质量分数为12%，确保复合材料流动性。

其次，设置打印机。 打印模式为烧融模式，在烧融模式下，为最大程度减少渗出、拉丝现象，技术人员应将缩回设置为0，填充为100%，同时设定层高度为0.2 mm，层厚度为0.8 mm，底部和顶部厚度为0.6 mm，最小行为1.5 mm，直径为1.74 mm，收缩前的挤压最小厚度为0.02 mm，缩回时Z 轴跳动为0.075 mm 填充密度为20%。 考虑到碳纤维丝变脆趋势较为显著，若用力拧紧碳纤维，极易引发碳纤维卡固问题，技术人员应使用PTFE 导丝路径，选择支持类型为“None”，平台附着型为“Brim”，确保由阀芯到喷嘴路径曲线平缓，线轴位于破损风险较小区域，其间无任何可在表面拖动物料尖端、空间，增加挤出3D 打印机组件内部纤维堆积可能性。 同时为减少因碳纤维而引发的喷嘴堵塞现象对打印可靠性、一致性的不利影响，技术人员可以利用0.5 mm＋尺寸的喷嘴代替标准0.4 mm 喷嘴，喷嘴材质由黄铜升级为硬化钢，确保其可以承受碳纤维的磨损。 同时根据硬化钢喷嘴导热性低的问题，调高挤出机初始温度，设定3D 打印挤出机床初始温度（床层温度）为60 ℃，减少堵塞［4］。

最后，打印操作前，面向多打印触点，在材料传送带上安装SMA 碳纤维复合材料，边安装SMA 碳纤维复合材料边进行树脂材料安装，借助压缩机压缩成卷材料。 进而借助高温条件，经转动触头膨出SMA 碳纤维复合材料。 纤维材料数量控制依据为SMA 碳纤维复合材料的体积比例，在膨出材料后，借助加热块提高材料温度。 在材料温度达到预先设定条件且形成流动胶体后，沿着前期规划SMA 碳纤维复合材料运行轨迹，借助挤压导管一端导向管，将流动胶体状材料挤出到平台内，完成首层打印模块。在首层打印模块挤出上，沿着z 轴进行触头转动方向以及预先设定角度、距离的调整，促使触头沿着x 方向、y 方向继续循环运动，期间3D 打印机主动轮、副轮无缝配合，流动胶体、管壁之间形成内摩擦力，可以确保材料均匀挤出，直到获得整套SMA 碳纤维复合材料件。

3 SMA 碳纤维复合材料3D 打印技术的质量控制策略

3.1 温度控制

温度会改变打印过程中SMA 材料与碳纤维混合物的流变性、触变性，进而影响混凝土和易性，是SMA 碳纤维复合材料能否正常开展3D 打印的关键因素［5］。 在温度适宜条件下，SMA 碳纤维复合材料将发生溶解，演变为在导管内流动的胶质。 在温度较高条件下，SMA 碳纤维复合材料快速流动，对纤维与加强材料之间黏合、材料流动顺畅性均造成较大干扰，表现为SMA 碳纤维复合材料在加强材料上附着不均；而在低温条件下，SMA 碳纤维复合材料仍然为半固态，无法顺利在导管内流动。 因此，在3D打印机床初始温度为60 ℃、SMA 碳纤维复合材料厚度为8 mm、碳纤维用量为12%、触头转动速度为35 mm/s 的情况下，技术人员应依据温度阶梯升高的思路，进行触头温度调试，分别在160 ℃、200 ℃、250 ℃下控制触头沿水平方向移动30 mm，每挤压一层转臂宽度相等，均为10 mm。在这个基础上，依据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）关于沥青混合料抗压强度、弹性模量的测试方法，分别在20 ℃、15 ℃环境内，借助万能材料试验机与变形量测装置、恒温水槽，检测SMA 碳纤维复合材料在不同温度下的力学性能，检测方法为得出结果见表1。

表1 不同温度下SMA 碳纤维复合材料力学性能

由表1 可知，在不同温度下，SMA 碳纤维复合材料抗压强度差异较小，弹性模量差距较大，200 ℃下的SMA 碳纤维复合材料弹性模量显著高于160 ℃、250 ℃下的弹性模量。 表明200 ℃下SMA 碳纤维复合材料弹性模量更高。 因此，在SMA 碳纤维复合材料3D 打印操作时，应尽量设定触头温度为200℃。 在200 ℃下，SMA 碳纤维复合材料内沥青玛蹄脂充分填入粗集料之间孔隙并包裹粗集料表面，促使材料黏结作用、柔韧性显著增强，且具有较高的抗变形能力、抗拉强度。 确定SMA 碳纤维复合材料温度控制标准后，根据3D 打印机的打印头运行过程中被加热腔加热成液体并保持适宜丝宽、黏流动性、良好黏接性的熔融状态热传导特点，增设一种将外界感知温度信号转换为电路中有价值电信号的装置——温度传感器。 根据SMA 碳纤维复合材料熔融后温度，选择测量精度较高、测温范围较大的铂电阻温度传感器。 同时引入闭环温度控制系统，在系统端设定SMA 碳纤维复合材料的熔点，期间结合温度传感器采集打印机打印头实际温度是否达到最优温度值，若是，则执行系统端前期设置数控代码机械挤出操作，反之则重新调整打印机参数，确保打印机加热腔内自动加热SMA 碳纤维复合材料到熔融状态，且整个打印过程中SMA 碳纤维复合材料始终处于熔融状态。

3.2 触头转动速度控制

触头转动速度是干扰高性能碎石沥青砂胶混凝土层间黏合强度、结构质量的主要因素。 若触头转动速度过快，3D 打印时长进一步压缩，打印触头在SMA 碳纤维复合材料表面接触时间也随之缩短，单位时间内下料数量相对减少，高性能碎石沥青砂胶混凝土各层无法充分固化，对各层平整性造成较大不利影响；若触头转动速度过慢，SMA 碳纤维复合材料下料量高于标准值，高性能碎石沥青砂胶混凝土各层无法充分黏合。 为确保打印的SMA 碳纤维复合材料维持良好形状，应加强触头转动速度的控制［6］。 基于最佳触点转动速度控制的目的，在SMA 碳纤维复合材料厚度为8 mm、碳纤维用量为12%、3D 打印机床初始温度为60 ℃、触头温度为200 ℃的情况下，技术人员可以依据阶梯式触点移动速度设计思路，将触头移动速度分别调整为35 mm/s、55 mm/s、75 mm/s。 依据前期设定速度，沿着水平方向移动触头30 mm，各层触头转动臂宽为10 mm。随后依据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）的相关要求，借助静压法成型SMA 碳纤维复合材料试件（直径100 mm±2.0 mm、高100 mm±2.0 mm），检测SMA 碳纤维复合材料抗压强度与弹性模量，得出结果见表2。

表2 不同触头转动速度下SMA 碳纤维复合材料性能

由表2 可知，在温度、材料厚度与碳纤维用量一定的情况下，随着触头转动速度的增加，SMA 碳纤维复合材料抗压强度不断下降，弹性模量也不断下降。 表明35 mm/s的触头转动速度较为适宜SMA 碳纤维复合材料。 基于此，在3D 打印SMA 碳纤维复合材料时，可以在“Feedrate”界面，选择“层视图”，可视化打印触头转动速度，将速度调整为35 mm/s。

3.3 材料厚度的控制

在打印期间，高性能碎石沥青砂胶混凝土逐层构筑时，各层材料厚度对其所承受机械强度具有直接影响。 一旦各层厚度不足，其机械强度无法承受随后沉积层的重量，就会导致构件坍塌；而各层厚度过大，则易超出可印刷性窗口要求，堵塞3D 打印机管道与喷嘴，干扰后期打印材料形状稳定性［7］。 为确定最佳SMA 碳纤维复合材料厚度控制标准，技术人员可以依据阶梯式厚度调整速度，在触头移动速度为35 mm/s、触头温度为200 ℃、机床初始温度为60 ℃、各层转臂宽度为10 mm、碳纤维用量为12%的情况下，调整SMA 碳纤维复合材料厚度分别为4 mm、8 mm、10 mm。 进而依据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）相关要求，从轮碾机成型板块试件上借助钻芯机专钻取直径100 mm±2.0 mm、高100 mm±2.0 mm的试件，确定试件密度符合马歇尔标准击实密度100%±1.0%要求后，测试SMA 碳纤维复合材料在不同厚度下力学性能，得出结果见表3。

表3 不同材料厚度下的SMA 碳纤维复合材料力学性能

由表3 可知，在3D 打印机触点速度、触头温度一定的情况下，SMA 碳纤维复合材料力学性能随着厚度的增加先增加后减小。 在材料厚度为8 mm 时的抗压强度、弹性模量最高。 因此，可以控制SMA 碳纤维复合材料厚度为8 mm。 此外，若仅打印1 层～2 层后出现喷嘴堵塞问题，可能是由于喷嘴邻近3D 打印机床时背压较高，引发碳纤维堆积，此时，需要进一步增加首层打印材料厚度，畅通挤出通道。

4 结语

综上所述，将SMA 材料与碳纤维复合打印，可以进一步提高材料的稳定性。 因此，在合理设计SMA 碳纤维复合材料配合比的基础上，操作者应预先设计打印机参数，按流程操作。 在操作过程中，加强对打印过程设备与材料温度、触头转动速度以及材料厚度的控制，避免因上述因素控制不当而影响材料各层固化程度与黏合程度，确保SMA 碳纤维复合材料3D 打印操作高质高效。