3D打印具有自監(jiān)測能力的連續(xù)碳纖維增強熱塑性晶格桁架夾層結(jié)構(gòu)

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

晶格桁架夾層結(jié)構(gòu)（LTSS）是由外表面的兩個面片和內(nèi)部陣列分布的桁架夾芯組成的，具有比強度和比剛度高的特點，以及優(yōu)異的主動冷卻、能量吸收和微波吸收等性能，在汽車和航空航天工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。LTSS可以由不同材料制得，包括金屬、陶瓷、聚合物和復(fù)合材料，金屬和陶瓷較重，聚合物材料力學(xué)性能較差，因此纖維增強復(fù)合材料得到了越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的LTSS制造技術(shù)需要復(fù)雜的模具和較長的加工時間，而浙江大學(xué)的研究團(tuán)隊提出了一種將FDM打印技術(shù)和懸掛3D打印相結(jié)合的新型雙噴頭打印方法，利用連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料制造LTSS，克服了傳統(tǒng)技術(shù)的不足，同時還利用碳纖維的電學(xué)性能，實現(xiàn)了智能監(jiān)測。

具體的制造方法見圖1，研究人員設(shè)計了一種新型的雙噴頭3D打印系統(tǒng)，打印頭1利用純材料，打印LTSS的兩個面片，打印頭2利用連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料，打印LTSS的桁架夾芯。其中打印桁架夾芯是重難點，研究人員將打印路徑分為四個階段，分別調(diào)整樹脂與纖維的比例、運動停留時間、路徑修正方法等，以實現(xiàn)良好的打印效果。

圖1 制造方法示意圖：（a）LTSS的制作流程，（b）桁架夾芯的制作流程

研究人員還做了LTSS的力學(xué)性能和基于電阻的自監(jiān)測性能的實驗，分析不同桁架傾角的性能差異。從打印角度、桁架支柱直徑、桁架高度三個方面評估了打印精度，通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析了LTSS的力學(xué)性能，通過如圖2所示的試件，測試了電阻隨應(yīng)力的變化關(guān)系，結(jié)果顯示電阻對應(yīng)力的響應(yīng)是一致的和可重復(fù)的，表明所制造的LTSS具有應(yīng)力動態(tài)自監(jiān)測能力。

參考文獻(xiàn)：
Zhenwei Wang, Congcong Luan, Guangxin Liao, Xinhua Yao, Jianzhong Fu. Mechanical and self-monitoring behaviors of 3D printing smart continuous carbon fiber-thermoplastic lattice truss sandwich structure[J]. Composites Part B, 2019.