纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料粉床熔融增材制造的多物理場(chǎng)模型

第一作者：譚鵬飛
通信作者：周琨
來(lái)源： Advanced Powder Materials


本文建立了一個(gè)粉末尺度的多物理場(chǎng)模擬框架，用于模擬纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的粉床熔融增材制造過(guò)程，包括粉床鋪粉、熔化和凝聚。該模擬旨在探究復(fù)合材料中的氣孔形成機(jī)制，為優(yōu)化打印過(guò)程參數(shù)提供理論指導(dǎo)。

文章摘要
增材制造的纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料由于其輕量化和多功能特性，引起了研究者的極大關(guān)注。然而，由于對(duì)復(fù)合材料中氣孔形成機(jī)理的理解不足，氣孔缺陷仍然是研究者們關(guān)注的焦點(diǎn)。本研究建立了一個(gè)模擬纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的粉床熔融增材制造過(guò)程的粉末尺度的多物理場(chǎng)框架。模型中涉及了一系列的物理現(xiàn)象，包括聚合物復(fù)合粉末的顆粒流動(dòng)、激光與粉末的相互作用、熱傳導(dǎo)、及多相流。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）制造單層玻璃纖維增強(qiáng)的尼龍12（PA12）復(fù)合材料的熔融深度，并與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證模型的精度。此外，本文對(duì)復(fù)合材料中未熔合氣孔和氣體截留氣孔的形成機(jī)制進(jìn)行了深入的研究。結(jié)果表明，纖維含量的增加將導(dǎo)致復(fù)合材料的致密化速率降低、孔隙率增加和氣孔球形度降低。

研究背景
為了減少或消除增材制造打印件中的氣孔，采用有效的方法以深入地理解氣孔的形成和演變的過(guò)程至關(guān)重要。由于通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)氣孔形成具有挑戰(zhàn)性并成本高昂，數(shù)值方法提供了一種經(jīng)濟(jì)且高效的替代方案，用于揭示氣孔形成的物理機(jī)制并探究其在制造過(guò)程中演變過(guò)程。研究人員針對(duì)單一或多材料金屬的增材制造過(guò)程已廣泛地建立了粉末尺度的高保真多物理場(chǎng)模型。然而，目前對(duì)于聚合物材料的增材制造過(guò)程預(yù)測(cè)，主要方法仍依賴于宏觀尺度模型。這些宏觀尺度模型將多孔粉末床視為連續(xù)介質(zhì)，可以高效地預(yù)測(cè)增材制造過(guò)程中的溫度演變和熔池尺寸。但是，由于它們忽視了粉末床的離散特性，在準(zhǔn)確模擬激光和顆粒相互作用以及氣孔形成方面遇到挑戰(zhàn)。目前仍缺乏能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)聚合物復(fù)合材料粉床熔融過(guò)程中熔池動(dòng)力學(xué)和氣孔形成的粉末尺度多物理場(chǎng)模型。

創(chuàng)新點(diǎn)
（1）建立了纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料粉床熔融增材制造過(guò)程的粉末尺度多物理場(chǎng)模擬框架；

（2）研究了復(fù)合材料中未熔合和氣體截留氣孔的形成機(jī)制；

（3）研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料中纖維含量的增加將導(dǎo)致復(fù)合材料的致密化速率降低、孔隙率增加和氣孔球形度降低。


文章概述
本文利用建立的多物理場(chǎng)數(shù)值模型預(yù)測(cè)了玻璃纖維增強(qiáng)PA12復(fù)合材料的SLS過(guò)程，對(duì)復(fù)合材料中的氣孔生成和演化過(guò)程進(jìn)行了研究，并分析了纖維含量對(duì)復(fù)合材料孔隙率的影響。

（1）玻璃纖維增強(qiáng)PA12復(fù)合粉末的熔融與凝聚
圖1顯示了模擬的玻璃纖維增強(qiáng)PA12復(fù)合材料的SLS過(guò)程。在激光掃描過(guò)程中，由于PA12和玻璃纖維的低熱導(dǎo)率以及粉末床的多孔性，熱傳遞從激光照射區(qū)域到相鄰粉末顆粒相對(duì)較慢。粉末顆粒熔化后，由于受到表面張力的作用而凝聚，從而形成致密的打印件。隨著粉末顆粒的凝聚，粉末顆粒之間的空隙會(huì)被PA12熔體填充，同時(shí)開(kāi)放空隙的閉合可能導(dǎo)致氣泡被截留在聚合物熔體中。部分截留的氣泡會(huì)隨著流體的流動(dòng)逃逸出PA12溶體或溶解進(jìn)入熔體中，而剩余的氣泡在凝固后將成為打印件中的氣孔。

圖1.玻璃纖維增強(qiáng)PA12復(fù)合粉末在SLS過(guò)程中的熔化和凝聚：（a）計(jì)算流體力學(xué)模型：計(jì)算域的尺寸為L(zhǎng) × W × H = 960 × 960 × 400 μm³，粉末層厚度h、激光掃描路徑間距d和掃描路徑長(zhǎng)度l分別為200 μm、100 μm和600 μm；（b）激光掃描后的溫度場(chǎng)；（c）從激光掃描區(qū)域中提取的長(zhǎng)方體；（d）長(zhǎng)方體內(nèi)粉末的凝聚過(guò)程。模擬結(jié)果中的紅色、藍(lán)色和灰色分別表示熔化的PA12、未完全熔合的PA12和玻璃纖維。

（2）玻璃纖維增強(qiáng)PA12復(fù)合材料中氣孔形成的機(jī)理分析

激光能量輸入不足可能導(dǎo)致PA12粉末顆粒的不完全熔化而形成氣孔。如圖2所示，由于PA12熔體未能充分?jǐn)U散到未熔化粉末顆粒并使其潤(rùn)濕，未被熔體填充的空隙最終會(huì)演變成打印件中的氣孔。激光掃描區(qū)域提取的一個(gè)長(zhǎng)方體塊被用于分析氣孔和玻璃纖維的三維分布。由于激光能量輸入不足導(dǎo)致的氣孔主要位于層間區(qū)域并呈扁平狀。此外，纖維團(tuán)聚和粉末顆粒未熔合的共同效應(yīng)導(dǎo)致了一個(gè)較大的未閉合氣孔的形成。重新鋪粉后會(huì)形成過(guò)厚的粉末層，導(dǎo)致粉末的不完全熔化，進(jìn)而在制造的復(fù)合材料中形成不規(guī)則的氣孔。

圖2. SLS在激光功率為 12 W、激光掃描速度為2.5 m/s和粉床初始溫度為425 K條件下打印的玻璃纖維增強(qiáng)的PA12復(fù)合材料：（a）x-z橫截面的光學(xué)顯微鏡圖像和（b）模擬預(yù)測(cè)的x-z橫截面；從激光掃描區(qū)域提取的長(zhǎng)方體的（c）三維視圖，（d）頂視圖，以及（e）氣孔和玻璃纖維分布；（f）SLS打印件中氣孔球形度分布。圖（e）中的黃色表示氣孔。

在粉末凝聚過(guò)程中，當(dāng)一些開(kāi)放孔閉合時(shí)，氣泡可能被困在PA12熔體中。除非這些氣泡從PA12熔體中逃逸或溶解，被困的氣泡最終將成為打印件中的氣孔。如圖3所示，可以觀察到兩種類型的氣孔：纖維聚集區(qū)域的不規(guī)則形狀氣孔和聚合物區(qū)域的近球形氣孔。在復(fù)合粉末混合和鋪粉過(guò)程中，由于玻璃纖維的內(nèi)聚力以及纖維與PA12之間形狀和材料性質(zhì)差異，極易導(dǎo)致纖維的團(tuán)聚現(xiàn)象。在纖維聚集區(qū)域氣孔形成的主要原因包括：高黏度PA12熔體在纖維間的受阻流動(dòng)導(dǎo)致溶體無(wú)法完全填充纖維間空隙；纖維與聚合物之間的不相容性。另外，聚合物區(qū)域中形成的氣孔由于表面張力的影響多呈現(xiàn)出近似球體形狀。通過(guò)比較圖2和圖3中的氣孔球形度分布，結(jié)果表明充足的能量輸入可以有效地減少不規(guī)則氣孔的形成。

圖3. SLS在激光功率為 14 W、激光掃描速度為2.4 m/s和粉床初始溫度為429 K條件下制造的玻璃纖維增強(qiáng)PA12復(fù)合件的顯微圖像：（a）和（c）x-y橫截面，以及（b）和（d） x-z橫截面；激光掃描區(qū)域提取的長(zhǎng)方體（e）三維視圖和（f）頂視圖；（g）長(zhǎng)方體中氣孔和玻璃纖維的分布；（h）SLS制造的復(fù)合材料中氣孔球形度分布。

（3）玻璃纖維含量對(duì)復(fù)合材料孔隙率的影響

聚合物粉末中的強(qiáng)化填料可以影響增材制造過(guò)程的各個(gè)方面，如粉末鋪粉（表面粗糙度和堆積密度）、激光能量吸收、熱傳遞和聚合物熔體流動(dòng)等，從而對(duì)制造的復(fù)合材料中氣孔的形成至關(guān)重要。如圖4所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)較高的纖維含量會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的致密化速率降低、孔隙率增加。另外，隨著纖維含量的增加，不規(guī)則氣孔的數(shù)量顯著增加，進(jìn)而導(dǎo)致氣孔球形度的降低。

圖4. 通過(guò)SLS打印的不同纖維含量的玻璃纖維增強(qiáng)PA12復(fù)合材料的頂視圖和x-z橫截面：（a）w = 0，（b）w = 10%，和（c）w = 20%；激光掃描區(qū)域中提取的長(zhǎng)方體中氣孔和玻璃纖維的分布：（d）w = 0，（e）w = 10%，和（f）w = 20%；（g）在粉末凝聚過(guò)程中不同纖維含量下孔隙率的演變；（h）具有不同纖維含量的復(fù)合材料中氣孔球形度的分布。

啟示
該研究建立了一個(gè)模擬纖維增強(qiáng)PA12復(fù)合材料粉床熔融增材制造過(guò)程的粉末尺度多物理場(chǎng)框架。論文揭示了SLS打印復(fù)合材料中未熔合和氣體截留氣孔的形成機(jī)制。研究結(jié)果表明未熔合氣孔多位于層間區(qū)域并呈扁平或不規(guī)則形狀，氣體截留引起的氣孔在聚合物區(qū)域和纖維聚集區(qū)域分別呈近似球形和不規(guī)則形狀。增加纖維含量會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的致密化速率降低、孔隙率增大和氣孔球形度降低。

團(tuán)隊(duì)介紹
譚鵬飛：新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與宇航工程學(xué)院3D打印中心的博士后，主要研究方向?yàn)榫酆衔锛敖饘僭霾闹圃斓臄?shù)值建模。

周美辛：新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與宇航工程學(xué)院3D打印中心的博士后，主要研究方向是通過(guò)聚合物增材制造技術(shù)開(kāi)發(fā)多功能復(fù)合材料以及基于物理模型的打印工藝優(yōu)化。

周琨：新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與宇航工程學(xué)院的教授，主要研究方向是材料力學(xué)和增材制造。

Pengfei Tan, Meixin Zhou, Chao Tang, Kun Zhou. A powder-scale multiphysics framework for powder bed fusion of fiber-reinforced polymer composites. Adv. Powder Mater.3(2024)100190. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2024.100190