弗吉尼亞理工大學推出新型六自由度多軸工具，助力纖維增強3D打印

2025年6月6日，南極熊獲悉，弗吉尼亞理工大學機械工程系的研究人員推出了一種專為多軸3D打印設計的連續(xù)纖維增強（CFR）沉積工具，顯著提升了復合材料結(jié)構的機械性能。

相關研究以題為“Multi-axis material extrusion of continuous carbon fiber composites: tool design and mechanical characterization”的論文發(fā)表在，由Kieran D. Beaumont、Joseph R. Kubalak和Christopher B. Williams領導，發(fā)表于《Springer Nature Link》期刊。

論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s00170-025-15749-8

研究表明，與傳統(tǒng)的平面短碳纖維（SCF）3D打印方法相比，新型多軸工具的最大負載能力提高了820%。它集成了三大關鍵功能：可靠的纖維切割和重新進給、原位纖維體積分數(shù)控制以及纖細的碰撞體積，以支持復雜的多軸刀具路徑。

新開發(fā)的沉積工具解決了CFR增材制造中的關鍵挑戰(zhàn)。它能夠在移動過程中切割和重新送入連續(xù)纖維，這一功能對于創(chuàng)建復雜的幾何形狀至關重要，不會造成材料撕裂或打印失敗。此外，還可以通過調(diào)節(jié)聚合物擠出速率實現(xiàn)纖維體積分數(shù)的原位控制。纖細的幾何形狀可最大限度地減少多軸運動過程中工具與打印部件之間的碰撞。

研究人員設計了沉積工具，用于共擠出熱塑性聚合物基質(zhì)和連續(xù)碳纖維 (CCF) 絲束浸漬材料。這種方法能夠在每次切割后實現(xiàn)可靠的纖維再進料，并支持在單個部件內(nèi)以可變的纖維含量進行打印。沉積工具纖細的碰撞體積支持實驗中使用的機械臂增加運動范圍，從而允許在復雜結(jié)構中將纖維與三維載荷路徑對齊。

△六自由度機械臂利用CFR聚合物復合材料打印多軸幾何體。圖片來自Springer Nature Link。

機械測試證實承重能力有所提升

機械試驗評估了連續(xù)纖維增強材料對聚乳酸 (PLA) 部件的影響。在拉伸試驗中，用連續(xù)碳纖維增強的樣品在纖維方向上的拉伸強度和拉伸模量分別為 190.76 MPa 和 9.98 GPa。相比之下，純 PLA 的拉伸強度和拉伸模量分別為 60.31 MPa 和 3.01 GPa，而含有短碳纖維的部件的拉伸強度和拉伸模量分別為 56.92 MPa 和 4.30 GPa。額外的試驗評估了層內(nèi)和層間性能，結(jié)果表明連續(xù)纖維增強材料在這些方向上的機械性能有所降低。與純 PLA 相比，層內(nèi)拉伸強度和模量分別下降了 66% 和 63%，層間強度和模量分別下降了 86% 和 60%。

研究人員采用三種方法打印了彎曲拉伸桿幾何形狀，以評估在三維載荷路徑部件中的性能：平面短碳纖維增強聚乳酸 (PLA)、多軸短纖維增強樣品和多軸連續(xù)纖維增強復合材料。與平面部件相比，多軸短纖維增強部件的最大載荷提高了 41.6%。同時，多軸連續(xù)纖維增強部件的載荷吸收量是平面短纖維增強樣品的 8.2 倍。掃描電子顯微鏡 (SEM) 的斷裂表面圖像顯示，纖維被拉出，纖維與基質(zhì)的結(jié)合有限，尤其是在含有連續(xù)纖維的樣品中。

△常見連續(xù)纖維增強材料擠出 (CFR-MEX) 工藝示意圖：原位浸漬、絲束預浸料擠出以及絲束預浸料共擠出。圖片來自Springer Nature Link。

為了驗證沉積工具的光纖切割和再送料能力，研究人員打印了一個100 × 150 × 3毫米的矩形板，在六層打印過程中進行了426次切割和再送料操作。沉積工具的成功率達到了100%，證明了可靠的切割和再送料性能，且沒有光纖堵塞。這種可靠性對于制造需要在沉積路徑之間頻繁移動的復雜結(jié)構至關重要。

通過打印一個長方體樣品，并改變聚合物進料速率、路徑寬度和層高，驗證了原位纖維體積分數(shù)控制。通過橫截面顯微鏡和圖像分析測量，部件不同截面的纖維體積分數(shù)分別為 6.51%、8.00% 和 9.86%。盡管低于一些文獻報道，但研究人員將其歸因于工具幾何形狀、聚合物-纖維相互作用時間和打印速度的特定組合。

沉積工具采用 Anisoprint 的 CCF 絲束預浸料，這是一種預浸漬連續(xù)碳纖維產(chǎn)品，纖維體積分數(shù)為 57%，直徑為 0.35 毫米。選擇 3DXTECH 的黑色 PLA 和 SCF-PLA 長絲，以確保基質(zhì)性能的一致性，并避免顏料變化對機械測試的影響。實驗使用配備工具更換器的 ABB IRB 4600-40/2.55 機械臂進行，可在 CFR-MEX 沉積工具和帶有細長噴嘴的標準 MEX 工具之間切換，用于平面打印。

△沉積工具 CAD 和組裝。圖片來自 Springer Nature Link。

現(xiàn)有研究背景和未來方向

增材制造中的連續(xù)纖維增強技術此前已證明可顯著提升部件性能，一些研究報告稱，采用連續(xù)碳纖維增強的PLA復合材料的拉伸強度高達650 MPa。然而，傳統(tǒng)的三軸打印方法將纖維取向限制在平面方向，從而將這些性能提升限制在XY平面內(nèi)。多軸3D打印方法已證明可提高短纖維增強部件的承載能力。例如，在壓力蓋和曲面幾何應用中，多軸打印樣品的失效載荷比平面打印樣品高出數(shù)倍。

弗吉尼亞理工大學的工具集成了文獻中先前工具無法同時實現(xiàn)的多種功能。它結(jié)合了基于雙驅(qū)動擠出機的聚合物進料器、纖維切割器和再進料器組件，以及可調(diào)節(jié)相互作用時間的共擠出熱端，用于纖維-聚合物粘合。針狀幾何形狀和外部氣動冷卻管降低了在多軸重新定向過程中與打印部件發(fā)生碰撞的風險。測得的碰撞體積角（完整工具）為 56.2°，（熱端組件）為 41.6°。

△彎曲拉伸桿的荷載-延伸性能圖。圖片來自 Springer Nature Link。

盡管取得了這些進展，研究人員仍發(fā)現(xiàn)了與纖維與聚合物基質(zhì)之間弱結(jié)合相關的挑戰(zhàn)。SEM圖像顯示，聚合物對纖維束浸漬劑的浸漬有限，纖維-基質(zhì)界面仍然是未來研究的重點領域。研究強調(diào)，優(yōu)化纖維束尺寸并縮短打印過程中纖維-聚合物的相互作用時間可以增強層間和層內(nèi)性能。結(jié)果還表明，先進的刀具路徑規(guī)劃算法可以進一步利用刀具沿三維載荷路徑對齊纖維沉積的能力，從而提高功能部件的機械性能。

總結(jié)來看，Springer Nature Link 上發(fā)表的這篇文章記錄了 CFR-MEX 工具的完整設計、驗證實驗和機械特性。這項工作為多軸增材制造領域日益增長的研究增添了新的內(nèi)容，尤其是在將連續(xù)纖維增強材料與復雜幾何形狀相結(jié)合方面。