復(fù)材頂刊：3D 打印低孔隙率和連續(xù)碳纖維增強(qiáng)材料的雙聚合物復(fù)合材料

來源：材料學(xué)網(wǎng)

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

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物 (CCFRP) 復(fù)合材料因其高強(qiáng)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(shù)，如壓縮成型、真空袋裝和高壓釜，通常面臨制造具有復(fù)雜幾何形狀的復(fù)合結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)。自動(dòng)鋪帶 (ATL) 和自動(dòng)纖維鋪放 (AFP) 等其他工藝使用計(jì)算機(jī)引導(dǎo)的機(jī)器人技術(shù)將纖維帶/絲束鋪設(shè)到模具上，允許復(fù)雜的鋪層幾何形狀。然而，ATL/AFP 不可避免地會(huì)在基礎(chǔ)設(shè)施上花費(fèi)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(zhuǎn)向過程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)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�(fù)雜形狀的復(fù)合材料。其中，熔融長(zhǎng)絲制造 (FFF) 3D 打印將熱塑性長(zhǎng)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(shì)使3D打印成為一種很有前途的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制造方法。

CCFRP 復(fù)合材料的 FFF 技術(shù)還提供了控制材料沉積路徑的機(jī)會(huì)和靈活性。迄今為止，已經(jīng)報(bào)道了一些用于連續(xù)纖維鋪放的優(yōu)化方法。可變剛度設(shè)計(jì)最初是為了以最佳方向正確放置纖維而開發(fā)的，其中機(jī)械性能，例如剛度和屈曲載荷，在計(jì)算模擬中得到了改進(jìn)。然而，傳統(tǒng)的制造工藝甚至增材制造都難以實(shí)現(xiàn)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(shí)際打印路徑。另一種常見的方法是應(yīng)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(yīng)力軌跡放置彎曲的連續(xù)纖維，以提高強(qiáng)度和剛度 。此外，李等人。提出了一種巧妙的路徑設(shè)計(jì) 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(fù)合結(jié)構(gòu)的機(jī)械響應(yīng)尚未得到充分研究。這部分是由于 3D 打印用于機(jī)械測(cè)試的高質(zhì)量復(fù)合材料標(biāo)本所面臨的挑戰(zhàn)。

因此，需要實(shí)現(xiàn)具有定制纖維路徑和低孔隙率的 3D 打印復(fù)合材料的制造，以便全面了解纖維放置方法對(duì)機(jī)械響應(yīng)的影響。莫納什大學(xué)材料科學(xué)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(jié)合。首先，通過 FFF 技術(shù) 3D 打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的復(fù)合預(yù)制件。然后進(jìn)行后處理（使用真空袋進(jìn)行烘箱固化），其中將熱固性環(huán)氧樹脂粉末撒在預(yù)制件上以填充間隙。進(jìn)行了開孔復(fù)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(chǎn)生的主應(yīng)力軌跡放置。然后將它們與鉆孔樣品以及從 Markforged® 商用打印機(jī)打印的樣品進(jìn)行比較。提出了一種混合制造技術(shù)，可以制造具有低孔隙率和定制連續(xù)碳纖維增強(qiáng)材料的 3D 打印雙聚合物復(fù)合材料。相關(guān)研究成果以題“Effectiveness of fibre placement in 3D printed open-hole composites under uniaxial tension”發(fā)表在復(fù)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(fù)合材料上的有效性的綜合研究。展示了一種混合制造技術(shù)，可以制造具有定制纖維路徑和低孔隙率的 3D 打印 CCFRP 復(fù)合材料。與 Markforged 打印系統(tǒng)相比，空隙含量，特別是在纖維-基質(zhì)和層-層界面上，顯著減少。在拉伸試驗(yàn)中，與傳統(tǒng)的單向鉆孔纖維放置相比，具有沿最大應(yīng)力軌跡的纖維路徑的樣品的強(qiáng)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(yīng)力集中從孔的外圍轉(zhuǎn)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(jīng)歷了很大的變形。沿最小主應(yīng)力軌跡引入額外的纖維增強(qiáng)了橫向于加載方向的結(jié)構(gòu)，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(xiàn)了均勻的應(yīng)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(fù)合材料預(yù)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(yù)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(shù)字圖像相關(guān)性的 MTS 測(cè)試系統(tǒng)

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

圖 5。成品樣品的表面圖像（用于 DIC 測(cè)量的白點(diǎn)）。

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(kuò)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(fù)合材料的強(qiáng)度和 (b) 剛度。

圖 13。案例 2 中的應(yīng)變和應(yīng)力（單位：MPa）分布。

但是，在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)同時(shí)考慮并平衡打印復(fù)合材料的機(jī)械性能、結(jié)構(gòu)完整性和裂紋擴(kuò)展。本文提出的有限元模型和機(jī)制可以被視為進(jìn)一步復(fù)雜設(shè)計(jì)多層 3D 打印 CCFRP 復(fù)合材料的起點(diǎn)。值得一提的是，本文的有限元模型是基于彈性分析的。復(fù)合材料的失效標(biāo)準(zhǔn)和本構(gòu)模型需要在未來的有限元模型中進(jìn)行評(píng)估和實(shí)施，以實(shí)現(xiàn)對(duì)這種印刷彎曲 CCFRP 復(fù)合材料的失效預(yù)測(cè)。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。