熱壓后處理3D打印連續(xù)碳纖維增強熱塑性材料

供稿人:單存清、王玲

經(jīng)典的熔融沉積成型工藝（FDM）雖然在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)件方面具有先天優(yōu)勢，但是運用該技術(shù)制造的構(gòu)件依舊存在強度不足，耐熱性較低的問題。為提高制品的強度， 使用輕質(zhì)高強度的纖維增強材料是一種非常有效方法。有研究者將短切纖維混入樹脂材料并加工出可供FDM使用的纖維增強絲材，雖然采用這種短切纖維增強的絲材繼承的典型FDM工藝成型復(fù)雜幾何形貌構(gòu)件的優(yōu)勢，但是其對制品強度的增強效果并不十分明顯，還不能夠滿足我們所期待的高強度要求。與短切纖維增強材料相比，連續(xù)纖維增強材料能很大程度的提高制品的強度，但是由于纖維連續(xù)的限制，此成型方法在成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件方面的能力存在欠缺。

為解決上述連續(xù)纖維增強的成型問題，來自日本呉工業(yè)高等專門學(xué)校的研究人員MY和YK設(shè)計并制造出了一種新型擠出噴頭（如圖1）。

圖1 MY和YK設(shè)計的噴頭

與常見的連續(xù)纖維增強設(shè)備不同的是，該噴頭采用兩個進給裝置，分別控制連續(xù)碳纖維增強熱塑性絲材和附加樹脂絲材的進給。他們使用的連續(xù)纖維增強熱塑性絲材是將PA6包裹碳纖維制成的直徑為0.3mm的絲材，其中碳纖維體積含量Vf控制在50%，附加樹脂材料采用的是尼龍645。使用該噴頭打印的單層截面如圖2所示，單層的下部分為連續(xù)纖維增強熱塑性材料，上部分為附加樹脂材料，從圖中可以看出，附加樹脂材料能夠很好的彌補纖維增強材料的溝壑，減少打印過程中孔隙的產(chǎn)生。

圖2 打印件單層截面圖

另外，MY和YK使用他們研發(fā)的設(shè)備制備出拉伸試樣并進行了力學(xué)拉伸試驗，試驗結(jié)果顯示試樣的彈性模量E達到53Gpa，泊松比γ0.39，拉伸強度σb 701Mpa。

根據(jù)MY和YK的觀察總結(jié)，他們推測成型件打印單層內(nèi)部孔隙的存在對制品的力學(xué)性能有著非常顯著的影響，由此假設(shè)隨后他們根據(jù)材料的性質(zhì)確定合理的熱處理工序?qū)υ嚇舆M行了熱處理和熱壓處理，以期消除內(nèi)部孔隙。結(jié)果顯示熱處理并沒有顯著提高試樣的抗拉伸性能（20%），但熱壓處理后的試樣比不做處理的試樣彈性模量和抗拉強度提升了一倍。研究者認(rèn)為熱壓處理消除了單層中的孔隙，才使制品的力學(xué)性能產(chǎn)生如此顯著的提升。

表1不同熱處理工藝力學(xué)性能比較

參考文獻：
Yamawaki, M., &Kouno, Y. (2018). Fabrication and mechanical characterization of continuous carbon fiber-reinforced thermoplastic using a preform by three-dimensional printing and via hot-press molding. Advanced Composite Materials, 27(2), 209-219. doi: 10.1080/09243046.2017.1368840