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中南大学:3D打印连续纤维增强复合材料轻质结构研究进展

来源: 本站 发表日期: 2022-12-12 阅读次数: 1677

增材制造(AM)技术已成为先进快速制造领域最有前途的技术之一。它具有节约成本、生产效率高等优点,可用于制造形状复杂的零件。在众多增材制造方法中,熔丝制造成型技术(FFF)是使用最广泛的制造方法之一。然而,使用纯聚合物或短纤维增强聚合物打印的部件,由于力学性能相对较差,很难应用于结构件。因此,为了提高FFF打印部件的力学性能,满足承载要求,连续纤维越来越多地被引入到FFF工艺中。


       与传统制造工艺相比,3D打印技术为连续纤维增强复合材料(CFRC)的定制化设计提供了更大的自由度。如图1所示,连续纤维增强复合材料轻质结构(CFRS)在3D打印背景下的设计跨越了三个层级:制造工艺、材料和结构。CFRS的性能可以由多个变量在不同层级上进行调控。每个设计水平由多个提高整体性能的因素组成。例如,在工艺层面,通过优化3D打印的切片参数,可以设计CFRS的微观结构特征,减少制造缺陷,从而提高CFRS的力学性能。在材料层面,选择合适的纤维和基体材料来实现复合材料的协同增强,从而提高结构的综合性能。最后,在结构水平上,胞元几何形状以及填充密度对结构的力学性能也有显著的影响。因此,3D打印复合材料的多层级设计为其广泛应用提供了可能,3D打印CFRS的研究也越来越受到重视。


CFRS图1 CFRS的增材制造设计层级及制造方法


2022年,复合材料TOP期刊《Composites Part B: Engineering》发表了中南大学及法国斯特拉斯堡大学、南布列塔尼大学在3D打印连续纤维增强复合材料轻质结构方面的研究工作,论文标题为“3D Printed Continuous Fiber Reinforced Composite Lightweight Structures: A Review and Outlook”。文章结合近年来相关论文的研究成果,讨论了材料、工艺参数和结构类型等变量的二维到三维结构的多层级设计问题,介绍了结构特性对CFRS力学性能的影响及在形状变形和自监测方面的新应用。为未来的研究提供思路,以弥补先进工艺与CFRS多层级设计之间的差距,从而充分挖掘3D打印CFRS的应用潜力。本期谷.专栏,将分享这篇论文所阐述的关键内容。


Article_CFRS论文链接:


http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110450


block 3D打印CFRS的工艺


与传统的工艺要求类似,首先考虑纤维与基体的适宜性和相容性,以保证基体与纤维、层内界面以及层间的良好相互作用,从而减少制造缺陷。如图2所示,针对连续纤维增强复合材料的打印,开发了各种工艺。这些工艺一般可分为两大类。一类是基于干纤维束的原位或在线浸渍法,另一类是基于预浸丝的打印方法。


Article_CFRS_FFF图2 CFRS打印的主要FFF工艺


在原位浸渍方法中,连续的干纤维和热塑性基体按指定比例同时送入打印头(图2(a))。热塑性基体在喷嘴中被加热到熔点以上,而干纤维在进入喷嘴前被预热,然后在喷嘴内被熔融的热塑性树脂浸渍。浸渍的纤维和熔融聚合物一起从喷嘴挤出,并直接沉积固化。原位浸渍工艺由于操作方便,3D打印机价格低廉,成为了目前应用最广泛的CFRS制造方法。


与原位浸渍法一样,在线浸渍法也采用连续干纤维,干纤维在输送到打印喷嘴之前被浸渍(图2(b))。这个过程在CFRC的3D打印中是一个复杂的方法,因为它需要多个制造步骤同时发生。与使用干纤维的打印不同,纤维预浸丝的打印是采用含有聚合物基体和连续纤维的预浸渍材料(图2)(c))。这种工艺非常方便,因为它从打印过程中分离了干纤维浸渍的复杂性。



本文还研究了共挤出法打印轻质结构的工艺。共挤出打印工艺是指预浸丝与基体材料同时进料。这两种材料在喷嘴被加热,然后共挤在一起(图2(d))。同时,随着不同的预浸丝共挤技术的出现,采用热塑性预浸丝和热塑性基体相结合的方法来打印CFRC。原位固化3D打印指的是在沉积过程中,通过外部能量源对预浸丝打印结构进行在线固化处理(图2(e))。


block 现有的限制


1. 浸渍


增强纤维被基体浸渍的程度显著影响3D打印复合材料的力学性能。由于3D打印连续纤维的成型压力小,浸渍时间短,在打印过程中纤维浸渍效果难以与传统成型工艺相比。在现有的3D打印工艺中,原位浸渍工艺的浸渍问题尤为严重。如图3(a, b)所示,在结构断裂剖面中,纤维束中间表面光滑的纤维表明,在打印过程中,基体未能浸渍纤维。Wang等人也展示了3D打印碳纤维材料浸渍不良的问题,其中纤维暴露在外部,未能被基体包覆(图3(c))。相比之下,3D打印预浸丝的浸渍程度要优于原位浸渍工艺,但由于成型压力较小,仍然存在浸渍缺陷。从图3(d)中,晶格结构的边缘未被基体覆盖,纤维暴露在表面。Liu等人打印的CFRS由于浸渍不良而存在大量孔隙缺陷,尤其是在打印方向改变的位置(图3(e))。而这些浸渍缺陷是结构中的薄弱部位,容易导致结构过早的失效。


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