熱壓后處理3D打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)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(shì)，但是運(yùn)用該技術(shù)制造的構(gòu)件依舊存在強(qiáng)度不足，耐熱性較低的問(wèn)題。為提高制品的強(qiáng)度， 使用輕質(zhì)高強(qiáng)度的纖維增強(qiáng)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(qiáng)絲材，雖然采用這種短切纖維增強(qiáng)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(shì)，但是其對(duì)制品強(qiáng)度的增強(qiáng)效果并不十分明顯，還不能夠滿足我們所期待的高強(qiáng)度要求。與短切纖維增強(qiáng)材料相比，連續(xù)纖維增強(qiáng)材料能很大程度的提高制品的強(qiáng)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(qiáng)的成型問(wèn)題，來(lái)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(jì)并制造出了一種新型擠出噴頭（如圖1）。

圖1 MY和YK設(shè)計(jì)的噴頭

與常見的連續(xù)纖維增強(qiáng)設(shè)備不同的是，該噴頭采用兩個(gè)進(jìn)給裝置，分別控制連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性絲材和附加樹脂絲材的進(jìn)給。他們使用的連續(xù)纖維增強(qiáng)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(qiáng)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(bǔ)纖維增強(qiáng)材料的溝壑，減少打印過(guò)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(jìn)行了力學(xué)拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示試樣的彈性模量E達(dá)到53Gpa，泊松比γ0.39，拉伸強(qiáng)度σb 701Mpa。

根據(jù)MY和YK的觀察總結(jié)，他們推測(cè)成型件打印單層內(nèi)部孔隙的存在對(duì)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(jìn)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(méi)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(qiáng)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(xiàn)：
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