3D打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料中的纖維錯(cuò)位和斷裂

供稿人：劉騰達(dá) 王玲
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

近些年,，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其具有諸如高比強(qiáng)度和高比剛度等優(yōu)越的機(jī)械性能已經(jīng)被越來(lái)越多地應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身和其他高端工業(yè)產(chǎn)品,。對(duì)于具有復(fù)雜幾何形狀的復(fù)合材料零件,，可以在FDM工藝中根據(jù)性能要求鋪設(shè)纖維。但在FDM打印過(guò)程中,，噴嘴牽引纖維轉(zhuǎn)向過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)一些缺陷,，包括平面外起皺、起泡、牽引向上拉和剪切效應(yīng),。從而進(jìn)一步影響制件的機(jī)械性能,。

針對(duì)此問(wèn)題，英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的Haoqi Zhang等人通過(guò)打印不同轉(zhuǎn)角和曲率的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單條紋,，研究了1K連續(xù)碳纖維長(zhǎng)絲在FDM打印過(guò)程中的纖維錯(cuò)位和斷裂的形成過(guò)程,，并對(duì)缺陷的形成過(guò)程進(jìn)行了分析。

不同轉(zhuǎn)向角的復(fù)合材料單條紋打印效果如圖1所示,，當(dāng)轉(zhuǎn)向角為30°時(shí),，復(fù)合材料絲材被壓平，其中大多數(shù)連續(xù)纖維的實(shí)際轉(zhuǎn)向角一致,。當(dāng)轉(zhuǎn)向角增加到60°時(shí),，纖維束開(kāi)始折疊，其中一些連續(xù)的纖維在從外周翻轉(zhuǎn)到內(nèi)周,。隨著打印轉(zhuǎn)向角繼續(xù)增大到120°時(shí),，可以在打印絲的轉(zhuǎn)向點(diǎn)處看到明顯的折疊，且在轉(zhuǎn)角處長(zhǎng)絲的平均寬度減小,，產(chǎn)生了較大的無(wú)纖維區(qū)域,。當(dāng)轉(zhuǎn)向角為150°和180°時(shí)，纖維嚴(yán)重扭曲和錯(cuò)位,，并且觀察到有纖維斷裂,。因此，在實(shí)際打印中,，應(yīng)盡可能避免使用轉(zhuǎn)向角大于120°的打印路徑,。

圖1 FDM工藝打印的不同轉(zhuǎn)角的碳纖維長(zhǎng)絲(a) 30° (b) 60° (c) 90° (d) 120° (e) 150° (f) 180°

不同曲率半徑的復(fù)合材料單條紋打印效果如圖2所示，對(duì)于曲率半徑為20mm的單條紋,，未觀察到明顯的表面缺陷,，單條紋寬度沿打印方向大致一致。在直徑為10毫米的情況下,，長(zhǎng)絲內(nèi)周的纖維會(huì)扭曲和起皺,。當(dāng)達(dá)到5mm時(shí)，這兩種缺陷出現(xiàn)的頻率更高,。在曲率半徑為2.5mm的情況下,，單條條紋很難按設(shè)計(jì)的路徑打印，觀察到內(nèi)外周完全轉(zhuǎn)變的纖維折疊現(xiàn)象,。此外,，在曲率半徑為5和2.5 mm的情況下，少量纖維斷裂,。因此,，在實(shí)際打印過(guò)程中,，應(yīng)盡可能避免使用曲率半徑小于5mm的打印路徑。

圖2 FDM工藝打印的不同曲率半徑的碳纖維長(zhǎng)絲

參考文獻(xiàn)：
H. Zhang, J. Chen, D. Yang, Fibre misalignment and breakage in 3D printing of continuous carbon fibre reinforced thermoplastic composites, Additive Manufacturing 38 (2021).