纖維增強聚合物復合材料粉床熔融增材制造的多物理場模型

第一作者：譚鵬飛
通信作者：周琨
來源： Advanced Powder Materials


本文建立了一個粉末尺度的多物理場模擬框架,，用于模擬纖維增強聚合物復合材料的粉床熔融增材制造過程,，包括粉床鋪粉、熔化和凝聚,。該模擬旨在探究復合材料中的氣孔形成機制,，為優(yōu)化打印過程參數提供理論指導。

文章摘要
增材制造的纖維增強聚合物復合材料由于其輕量化和多功能特性,，引起了研究者的極大關注,。然而，由于對復合材料中氣孔形成機理的理解不足,，氣孔缺陷仍然是研究者們關注的焦點,。本研究建立了一個模擬纖維增強聚合物復合材料的粉床熔融增材制造過程的粉末尺度的多物理場框架。模型中涉及了一系列的物理現象，包括聚合物復合粉末的顆粒流動,、激光與粉末的相互作用,、熱傳導、及多相流,。通過實驗測量了激光選區(qū)燒結（SLS）制造單層玻璃纖維增強的尼龍12（PA12）復合材料的熔融深度,，并與模擬結果進行比較，以驗證模型的精度,。此外,，本文對復合材料中未熔合氣孔和氣體截留氣孔的形成機制進行了深入的研究。結果表明,，纖維含量的增加將導致復合材料的致密化速率降低,、孔隙率增加和氣孔球形度降低。

研究背景
為了減少或消除增材制造打印件中的氣孔,，采用有效的方法以深入地理解氣孔的形成和演變的過程至關重要,。由于通過實驗檢測氣孔形成具有挑戰(zhàn)性并成本高昂，數值方法提供了一種經濟且高效的替代方案,，用于揭示氣孔形成的物理機制并探究其在制造過程中演變過程,。研究人員針對單一或多材料金屬的增材制造過程已廣泛地建立了粉末尺度的高保真多物理場模型。然而,，目前對于聚合物材料的增材制造過程預測,，主要方法仍依賴于宏觀尺度模型。這些宏觀尺度模型將多孔粉末床視為連續(xù)介質,，可以高效地預測增材制造過程中的溫度演變和熔池尺寸,。但是，由于它們忽視了粉末床的離散特性,，在準確模擬激光和顆粒相互作用以及氣孔形成方面遇到挑戰(zhàn),。目前仍缺乏能夠準確預測聚合物復合材料粉床熔融過程中熔池動力學和氣孔形成的粉末尺度多物理場模型。

創(chuàng)新點
（1）建立了纖維增強聚合物復合材料粉床熔融增材制造過程的粉末尺度多物理場模擬框架,；

（2）研究了復合材料中未熔合和氣體截留氣孔的形成機制,；

（3）研究發(fā)現復合材料中纖維含量的增加將導致復合材料的致密化速率降低、孔隙率增加和氣孔球形度降低,。


文章概述
本文利用建立的多物理場數值模型預測了玻璃纖維增強PA12復合材料的SLS過程,，對復合材料中的氣孔生成和演化過程進行了研究，并分析了纖維含量對復合材料孔隙率的影響,。

（1）玻璃纖維增強PA12復合粉末的熔融與凝聚
圖1顯示了模擬的玻璃纖維增強PA12復合材料的SLS過程,。在激光掃描過程中，由于PA12和玻璃纖維的低熱導率以及粉末床的多孔性,，熱傳遞從激光照射區(qū)域到相鄰粉末顆粒相對較慢,。粉末顆粒熔化后,，由于受到表面張力的作用而凝聚,，從而形成致密的打印件,。隨著粉末顆粒的凝聚，粉末顆粒之間的空隙會被PA12熔體填充,，同時開放空隙的閉合可能導致氣泡被截留在聚合物熔體中,。部分截留的氣泡會隨著流體的流動逃逸出PA12溶體或溶解進入熔體中，而剩余的氣泡在凝固后將成為打印件中的氣孔,。

圖1.玻璃纖維增強PA12復合粉末在SLS過程中的熔化和凝聚：（a）計算流體力學模型：計算域的尺寸為L × W × H = 960 × 960 × 400 μm³,，粉末層厚度h、激光掃描路徑間距d和掃描路徑長度l分別為200 μm,、100 μm和600 μm,；（b）激光掃描后的溫度場；（c）從激光掃描區(qū)域中提取的長方體,；（d）長方體內粉末的凝聚過程,。模擬結果中的紅色、藍色和灰色分別表示熔化的PA12,、未完全熔合的PA12和玻璃纖維,。

（2）玻璃纖維增強PA12復合材料中氣孔形成的機理分析

激光能量輸入不足可能導致PA12粉末顆粒的不完全熔化而形成氣孔。如圖2所示,，由于PA12熔體未能充分擴散到未熔化粉末顆粒并使其潤濕,，未被熔體填充的空隙最終會演變成打印件中的氣孔。激光掃描區(qū)域提取的一個長方體塊被用于分析氣孔和玻璃纖維的三維分布,。由于激光能量輸入不足導致的氣孔主要位于層間區(qū)域并呈扁平狀,。此外，纖維團聚和粉末顆粒未熔合的共同效應導致了一個較大的未閉合氣孔的形成,。重新鋪粉后會形成過厚的粉末層,，導致粉末的不完全熔化，進而在制造的復合材料中形成不規(guī)則的氣孔,。

圖2. SLS在激光功率為 12 W,、激光掃描速度為2.5 m/s和粉床初始溫度為425 K條件下打印的玻璃纖維增強的PA12復合材料：（a）x-z橫截面的光學顯微鏡圖像和（b）模擬預測的x-z橫截面；從激光掃描區(qū)域提取的長方體的（c）三維視圖,，（d）頂視圖,，以及（e）氣孔和玻璃纖維分布；（f）SLS打印件中氣孔球形度分布,。圖（e）中的黃色表示氣孔,。

在粉末凝聚過程中，當一些開放孔閉合時,，氣泡可能被困在PA12熔體中,。除非這些氣泡從PA12熔體中逃逸或溶解,，被困的氣泡最終將成為打印件中的氣孔。如圖3所示,，可以觀察到兩種類型的氣孔：纖維聚集區(qū)域的不規(guī)則形狀氣孔和聚合物區(qū)域的近球形氣孔,。在復合粉末混合和鋪粉過程中，由于玻璃纖維的內聚力以及纖維與PA12之間形狀和材料性質差異,，極易導致纖維的團聚現象,。在纖維聚集區(qū)域氣孔形成的主要原因包括：高黏度PA12熔體在纖維間的受阻流動導致溶體無法完全填充纖維間空隙；纖維與聚合物之間的不相容性,。另外,，聚合物區(qū)域中形成的氣孔由于表面張力的影響多呈現出近似球體形狀。通過比較圖2和圖3中的氣孔球形度分布,，結果表明充足的能量輸入可以有效地減少不規(guī)則氣孔的形成,。

圖3. SLS在激光功率為 14 W、激光掃描速度為2.4 m/s和粉床初始溫度為429 K條件下制造的玻璃纖維增強PA12復合件的顯微圖像：（a）和（c）x-y橫截面,，以及（b）和（d） x-z橫截面,；激光掃描區(qū)域提取的長方體（e）三維視圖和（f）頂視圖；（g）長方體中氣孔和玻璃纖維的分布,；（h）SLS制造的復合材料中氣孔球形度分布,。

（3）玻璃纖維含量對復合材料孔隙率的影響

聚合物粉末中的強化填料可以影響增材制造過程的各個方面，如粉末鋪粉（表面粗糙度和堆積密度）,、激光能量吸收,、熱傳遞和聚合物熔體流動等，從而對制造的復合材料中氣孔的形成至關重要,。如圖4所示,，結果發(fā)現較高的纖維含量會導致復合材料的致密化速率降低、孔隙率增加,。另外,，隨著纖維含量的增加，不規(guī)則氣孔的數量顯著增加,，進而導致氣孔球形度的降低,。

圖4. 通過SLS打印的不同纖維含量的玻璃纖維增強PA12復合材料的頂視圖和x-z橫截面：（a）w = 0，（b）w = 10%,，和（c）w = 20%,；激光掃描區(qū)域中提取的長方體中氣孔和玻璃纖維的分布：（d）w = 0，（e）w = 10%,，和（f）w = 20%,；（g）在粉末凝聚過程中不同纖維含量下孔隙率的演變；（h）具有不同纖維含量的復合材料中氣孔球形度的分布,。

啟示
該研究建立了一個模擬纖維增強PA12復合材料粉床熔融增材制造過程的粉末尺度多物理場框架,。論文揭示了SLS打印復合材料中未熔合和氣體截留氣孔的形成機制,。研究結果表明未熔合氣孔多位于層間區(qū)域并呈扁平或不規(guī)則形狀，氣體截留引起的氣孔在聚合物區(qū)域和纖維聚集區(qū)域分別呈近似球形和不規(guī)則形狀,。增加纖維含量會導致復合材料的致密化速率降低,、孔隙率增大和氣孔球形度降低。

團隊介紹
譚鵬飛：新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院3D打印中心的博士后,，主要研究方向為聚合物及金屬增材制造的數值建模,。

周美辛：新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院3D打印中心的博士后,，主要研究方向是通過聚合物增材制造技術開發(fā)多功能復合材料以及基于物理模型的打印工藝優(yōu)化,。

周琨：新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院的教授，主要研究方向是材料力學和增材制造,。

Pengfei Tan, Meixin Zhou, Chao Tang, Kun Zhou. A powder-scale multiphysics framework for powder bed fusion of fiber-reinforced polymer composites. Adv. Powder Mater.3(2024)100190. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2024.100190