3D打印亞麻纖維生物復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的前景

來(lái)源：3D打印商情

在“用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用的連續(xù)亞麻纖維增強(qiáng)生物復(fù)合材料的3D打印”的研究中，作者A Le Duigou,，A,。Barbé,，E。Guillou和M. Castro等人對(duì)在PLA等長(zhǎng)絲的3D打印中使用亞麻等天然材料越來(lái)越感興趣,。

研究人員以FDM 3D打印為研究對(duì)象,，通過(guò)加入連續(xù)亞麻纖維/聚乳酸（CFF/PLA）復(fù)合長(zhǎng)絲，制備出力學(xué)性能最佳的生物復(fù)合材料,。他們創(chuàng)造了一種定制的擠出技術(shù),，用于復(fù)合材料，作者稱,，該技術(shù)“證明了紗線在橫截面內(nèi)的均勻分布,，而扭曲的亞麻紗則導(dǎo)致中尺度的富纖維區(qū)域�,！�

研究小組對(duì)用亞麻制造一種新的復(fù)合材料很感興趣,，因?yàn)樗�的力學(xué)性能“很有前途”-通常很難找到所需的所有合適的品質(zhì)。他們解釋說(shuō),，許多生物復(fù)合材料今天很受歡迎,，但在使用許多不同的天然纖維時(shí)，其力學(xué)性能仍然不太合適,。

研究人員說(shuō)：“CFF/PLA的拉伸模量和強(qiáng)度值超過(guò)了目前唯一公布的連續(xù)天然纖維打印復(fù)合材料的拉伸模量和強(qiáng)度值的4.5倍以上,。”“拉伸性能與連續(xù)玻璃纖維/聚酰胺(PA)打印復(fù)合材料的拉伸性能相同,，為生物復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的應(yīng)用鋪平了道路,。其最弱之處在于其橫向性能仍比類似的亞麻/PLA熱壓縮復(fù)合材料差�,！�

其他纖維復(fù)合材料如玻璃,、碳和芳綸也正在研究中，以提高3D打印性能,，因?yàn)椴牧媳弧敖�漬”以產(chǎn)生更好的結(jié)構(gòu),。使用現(xiàn)場(chǎng)定制的Prusa i3 3D打印機(jī)，一個(gè)控制風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的Arduino卡,，以及Simplify 3D軟件，研究人員創(chuàng)建了一些可以進(jìn)行評(píng)估的樣本,，并與之前的研究結(jié)果進(jìn)行了比較,。

生產(chǎn)連續(xù)亞麻/PLA長(zhǎng)絲的擠出工藝參數(shù)

作為一種紗線，亞麻是紡織品應(yīng)用中復(fù)合材料的明顯選擇——可以提高織造強(qiáng)度,。然而,，作者指出，在“扭曲的結(jié)構(gòu)”中觀察到纖維束,，影響了孔隙率和整體微觀結(jié)構(gòu),。

“此外,，亞麻紗線顯示出與長(zhǎng)絲中心的偏差，這似乎是由于共擠出頭造成的,。實(shí)際上,，在共擠出過(guò)程中，聚合物流向垂直于亞麻紗,，這導(dǎo)致其定位在長(zhǎng)絲的邊緣,。”作者說(shuō),。

“試驗(yàn)結(jié)果表明,，長(zhǎng)絲內(nèi)纖維體積含量超過(guò)35％，導(dǎo)致難以獲得高質(zhì)量的打印樣品,。因此,，在目前的工作中，所開發(fā)的cFF/PLA長(zhǎng)絲含有較低的體積分?jǐn)?shù),，為30.4±0.8％（wf≈34.5％）,，這接近商用高性能碳/聚酰胺長(zhǎng)絲。印花長(zhǎng)絲不影響纖維含量,，因此cFF/PLA生物復(fù)合材料的纖維含量與長(zhǎng)絲相似,。”

與以下方面相比,，縱向性能得到改善：
·純PLA（剛度為×7,，強(qiáng)度為×4.5）
·不連續(xù)天然纖維增強(qiáng)3D打印生物復(fù)合材料（剛度為×11，強(qiáng)度為×10）
·連續(xù)黃麻/PLA打印生物復(fù)合材料的可用數(shù)據(jù)（剛度為×4.5,，強(qiáng)度為×4.5）

研究人員認(rèn)為,，這些特性可以通過(guò)亞麻固有的更高機(jī)械性能，更高的纖維紗線高寬比,，以及更好的纖維含量和整體均勻性來(lái)解釋,。

“非線性拉伸行為是天然纖維單向復(fù)合材料的典型特征，其性能與熱壓縮,，VARTM和AFP制造的長(zhǎng)亞麻纖維復(fù)合材料以及商業(yè)3D打印機(jī)生產(chǎn)的連續(xù)玻璃/ PA復(fù)合材料相媲美,。如此高的測(cè)量性能為結(jié)構(gòu)應(yīng)用開辟了3D打印生物復(fù)合材料，“研究人員總結(jié)道,。

“cFF/PLA打印復(fù)合材料的最弱之處是它們的橫向性能仍然低于類似的亞麻/ PLA熱壓縮復(fù)合材料,。在拉伸試驗(yàn)中觀察到的損傷機(jī)理與在長(zhǎng)絲展開的連續(xù)合成纖維/聚合物打印復(fù)合材料中觀察到的相似。

（a）連續(xù)亞麻纖維/ PLA（cFF/PLA）長(zhǎng)絲的微觀結(jié)構(gòu),；（b）未經(jīng)測(cè)試的cFF/PLA樣品橫截面的SEM顯微照片,；（c）橫向打印的cFF/PLA（90°）；（d）cFF/PLA縱向打�,。�0°）,。面板d的細(xì)節(jié)顯示（e）環(huán)重疊和（f）規(guī)則環(huán),。

在過(guò)去幾年中，與3D打印相關(guān)的材料科學(xué)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,。雖然桌面機(jī)用戶的普及程度不斷提高,，研究人員和工業(yè)制造商繼續(xù)使用像PLA這樣的燈絲，但現(xiàn)在正在用各種其他材料如石墨烯,、連續(xù)纖維甚至木材來(lái)制造復(fù)合材料,。

（a）縱向；（b）cFF/PLA打印部件的橫向斷裂的宏觀圖像,；（c）cFF/PLA打印部件的縱向橫向斷裂,；（d）cFF/PLA打印部件的橫向斷裂的SEM顯微照片。白色箭頭證明纖維束剝離和基質(zhì)失效,。