連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的3D壓實打印

供稿人：云京新、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

3D打印制件的機(jī)械性能往往低于傳統(tǒng)成型技術(shù)制造的產(chǎn)品，這是由于在打印過程中出現(xiàn)大量空隙，且微珠之間的界面剪切強(qiáng)度較低。為了解決這個問題，前人已經(jīng)提出了一些技術(shù)，例如真空條件下的3D打印，3D打印期間的熱處理、后處理退火，以及3D打印過程中的壓實等技術(shù)。通過上述技術(shù)，3D打印過程中的壓實有可能在不進(jìn)行后處理的情況下大幅提高3D打印產(chǎn)品的機(jī)械性能。盡管壓實輥或壓緊頭已被用于自動鋪帶制造，但是與3D打印應(yīng)用相關(guān)的研究報告還比較少。

針對3D打印過程中缺陷較多的問題，日本大學(xué)的研究團(tuán)隊提出了一種用于3D打印的熱壓輥技術(shù)，以減少空隙并提高3D打印產(chǎn)品中微珠之間的粘附力，其設(shè)備結(jié)構(gòu)與成形原理如下圖1所示。與傳統(tǒng)的3D打印（3DP）相比，這種3D打印方法被稱為3D壓實打印（3DCP）。用3DCP和3DP制備拉伸和彎曲試樣，證實了熱壓輥對機(jī)械性能的提高。隨后，隨后對3DP試樣進(jìn)行熱壓成型后處理，并與3DCP試樣的力學(xué)性能進(jìn)行比較。最終結(jié)果表明：3D打印過程中熱壓成形的效果與熱壓成型后處理基本相同。

圖1. 3D壓實打印機(jī)。a）已開發(fā)的打印機(jī)， b）打印機(jī)頭示意圖圖像：Z向相對位移Dzis與壓實力相關(guān)，c）3D壓實打印：壓實輥由筒式加熱器加熱。
總之，該團(tuán)隊開發(fā)了一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（CFRTP）的3D壓實打印（3DCP）技術(shù)，并通過該技術(shù)制備了單向CFRTP試樣，對其拉伸和彎曲性能進(jìn)行了研究。試驗結(jié)果表明，在3D打印過程中，熱壓處理提高了CFRTP的拉伸和彎曲性能，可以取得與熱壓成型后處理相同的效果。并通過掃描電子顯微鏡和x射線計算機(jī)斷層掃描對試樣中的空隙進(jìn)行觀察，證實了熱壓實降低了空隙含量。結(jié)合各項實驗結(jié)果綜合表明，3DCP在結(jié)構(gòu)用CFRTP零件制造方面優(yōu)于傳統(tǒng)FFF。

參考文獻(xiàn)：
Masahito Ueda, Shun Kishimoto, Masao Yamawaki, et al. 3D compaction printing of a continuous carbon fiber reinforced thermoplastic[J]. Composites Part A,2020,137,105985.