復材頂刊：3D 打印低孔隙率和連續(xù)碳纖維增強材料的雙聚合物復合材料

來源：材料學網

導讀：新興的連續(xù)纖維 3D 打印技術能夠在制造過程中實現纖維轉向和定制的彎曲纖維路徑，這可能會增強具有幾何奇異性的復合材料機械性能。本文全面研究了纖維鋪放對開孔復合材料單軸拉伸力學性能的影響。提出了一種混合制造技術，可以制造具有低孔隙率和定制連續(xù)碳纖維增強材料的 3D 打印雙聚合物復合材料。采用沿最大主應力軌跡放置連續(xù)纖維的概念，發(fā)現與鉆孔樣品相比，可以提高復合材料的強度并顯著延遲裂紋萌生。沿著最小主應力軌跡和孔周圍發(fā)現顯著改變了樣品的失效模式和機械性能。該研究為具有復雜形狀和/或幾何奇異性的 3D 打印復合材料的定制設計提供了一個非常有用的工具。

連續(xù)碳纖維增強聚合物 (CCFRP) 復合材料因其高強度和高剛度重量比而廣泛用于航空航天和汽車工業(yè)。CCFRP 的傳統(tǒng)制造技術，如壓縮成型、真空袋裝和高壓釜，通常面臨制造具有復雜幾何形狀的復合結構的挑戰(zhàn)。自動鋪帶 (ATL) 和自動纖維鋪放 (AFP) 等其他工藝使用計算機引導的機器人技術將纖維帶/絲束鋪設到模具上，允許復雜的鋪層幾何形狀。然而，ATL/AFP 不可避免地會在基礎設施上花費更多，并且由于纖維絲束較寬（通常在 3 毫米和 13 毫米之間），在絲束轉向過程中會出現嚴重的制造缺陷。最近，正在開發(fā)增材制造（通常也稱為 3D 打?。┮缘统杀局圃炀哂懈叨葟碗s形狀的復合材料。其中，熔融長絲制造 (FFF) 3D 打印將熱塑性長絲逐層熔化并沉積，以創(chuàng)建三維部件，而無需借助模具。低成本和高精度的優(yōu)勢使3D打印成為一種很有前途的連續(xù)纖維增強復合材料的制造方法。

CCFRP 復合材料的 FFF 技術還提供了控制材料沉積路徑的機會和靈活性。迄今為止，已經報道了一些用于連續(xù)纖維鋪放的優(yōu)化方法?？勺儎偠仍O計最初是為了以最佳方向正確放置纖維而開發(fā)的，其中機械性能，例如剛度和屈曲載荷，在計算模擬中得到了改進。然而，傳統(tǒng)的制造工藝甚至增材制造都難以實現離散和局部的纖維取向。因此，通常采用流線生成方法來生成連續(xù)纖維的實際打印路徑。另一種常見的方法是應力線法，例如，在我們之前的研究中，提出了一種新概念，即沿著主應力軌跡放置彎曲的連續(xù)纖維，以提高強度和剛度 。此外，李等人。提出了一種巧妙的路徑設計 3D 打印方法，該方法考慮了連續(xù)纖維的載荷傳遞路徑和各向異性特性。然而，不同纖維放置方法的有效性和 3D 打印復合結構的機械響應尚未得到充分研究。這部分是由于 3D 打印用于機械測試的高質量復合材料標本所面臨的挑戰(zhàn)。

因此，需要實現具有定制纖維路徑和低孔隙率的 3D 打印復合材料的制造，以便全面了解纖維放置方法對機械響應的影響。莫納什大學材料科學與工程系Christopher Hutchinson教授等人將3D 打印與用于制造樣品的低成本后處理處理相結合。首先，通過 FFF 技術 3D 打印連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料的復合預制件。然后進行后處理（使用真空袋進行烘箱固化），其中將熱固性環(huán)氧樹脂粉末撒在預制件上以填充間隙。進行了開孔復合材料的案例研究，并研究了孔周圍的三種定制纖維放置方法，其中連續(xù)碳纖維沿著由純聚合物材料的有限元分析（FEA）產生的主應力軌跡放置。然后將它們與鉆孔樣品以及從 Markforged® 商用打印機打印的樣品進行比較。提出了一種混合制造技術，可以制造具有低孔隙率和定制連續(xù)碳纖維增強材料的 3D 打印雙聚合物復合材料。相關研究成果以題“Effectiveness of fibre placement in 3D printed open-hole composites under uniaxial tension”發(fā)表在復材頂刊Composites Science and Technology上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0266353822000112

本文介紹了纖維放置在 3D 打印開孔復合材料上的有效性的綜合研究。展示了一種混合制造技術，可以制造具有定制纖維路徑和低孔隙率的 3D 打印 CCFRP 復合材料。與 Markforged 打印系統(tǒng)相比，空隙含量，特別是在纖維-基質和層-層界面上，顯著減少。在拉伸試驗中，與傳統(tǒng)的單向鉆孔纖維放置相比，具有沿最大應力軌跡的纖維路徑的樣品的強度提高了 166%。在纖維用量略高的情況下，這種放置方法有效地將應力集中從孔的外圍轉移到其他區(qū)域，從而改變了裂紋的位置，延緩了裂紋的萌生。然而，樣品中仍然發(fā)生基體剪切破壞和纖維分裂，并且孔在破壞前經歷了很大的變形。沿最小主應力軌跡引入額外的纖維增強了橫向于加載方向的結構，并將孔的失效前變形率從 11% 降低到 1%。在纖維和基體區(qū)域都發(fā)現了均勻的應力分布，因此可以防止打印路徑之間的基體豐富區(qū)域發(fā)生剪切破壞。

圖 1。(a) 連續(xù) CF 燈絲的 3D 打印，和 (b) 打印的開孔復合材料預制件。

圖 2。(a) 鋁模具，和 (b) 帶有噴涂粉末環(huán)氧樹脂的開孔預制件。

圖 3。纖維放置方法：(a) 鉆孔，(b) 案例 1，(c) 案例 1 – 完成，(d) 案例 2，(e) 案例 3 和 (f) Markforged 樣品。

圖 4。具有數字圖像相關性的 MTS 測試系統(tǒng)

在孔周圍放置另一組額外的纖維后，打印的復合材料在纖維使用量的小幅增量下表現最佳，拉伸性能進一步提高。關于這些額外纖維的研究表明，通過在具有多層的復合材料層壓板的每一層中調整彎曲纖維的放置，定制性能的潛在設計。

圖 5。成品樣品的表面圖像（用于 DIC 測量的白點）。

圖 6。橫截面的 SEM：(a) 混合制造樣品，和 (b) Markforged® 印刷樣品。

圖 7。樣品的載荷-位移曲線和裂紋擴展：(a) 鉆孔和 Markforged，(b) 彎曲纖維案例 1，和 (c) 案例 2 和 3。

圖 8。(a) 單軸拉伸下開孔復合材料的強度和 (b) 剛度。

圖 13。案例 2 中的應變和應力（單位：MPa）分布。

但是，在實際工程應用中，應同時考慮并平衡打印復合材料的機械性能、結構完整性和裂紋擴展。本文提出的有限元模型和機制可以被視為進一步復雜設計多層 3D 打印 CCFRP 復合材料的起點。值得一提的是，本文的有限元模型是基于彈性分析的。復合材料的失效標準和本構模型需要在未來的有限元模型中進行評估和實施，以實現對這種印刷彎曲 CCFRP 復合材料的失效預測。此外，在打印過程中發(fā)生了纖維的重疊，因此還需要考慮制造限制以告知纖維放置。