增材制造頂刊：增材制造新型非連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料！

來源：材料科學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：本研究提出了一種新的方法，即角度進(jìn)料擠壓（AFE），用于材料擠壓增材制造（MEX AM）不連續(xù)再生碳纖維（rCF）增強熱塑性復(fù)合材料，具有高纖維效率。AFE系統(tǒng)還集成了一個五軸打印機，以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造。利用x射線計算機微斷層掃描（μCT）對纖維形態(tài)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并通過力學(xué)測試研究了afe制備的rCF復(fù)合材料的力學(xué)性能。結(jié)果表明，AFE有效地降低了高纖維效率的rCF復(fù)合材料的制造難度，纖維效率包括纖維分?jǐn)?shù)、長度和取向等因素。此外，通過AFE系統(tǒng)增材制造的rCF復(fù)合材料的rCF長度可達(dá)3.8 mm，纖維體積分?jǐn)?shù)為30.3%。拉伸強度和模量分別為178 MPa和9.9 GPa。與短纖維增強復(fù)合材料相比，其抗拉強度和模量分別提高了90%和254%。類似地，afe制造的復(fù)合材料環(huán)的壓縮試驗表明，極限壓縮載荷增加了80%。

材料擠出增材制造 （MEX AM） 是一種經(jīng)濟高效的技術(shù)，涉及使用 3D 打印機制造使用細(xì)絲的組件和結(jié)構(gòu)。MEX AM 可以完成復(fù)雜形狀的制造并消除模具的限制，從而節(jié)省成本和時間 ，使其在制造碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料方面具有吸引力。Tekinalp等人評估了不同體積分?jǐn)?shù)對打印復(fù)合材料的影響]，而Su等提出，較高的體積分?jǐn)?shù)可以有效增強打印復(fù)合材料的機械性能。此外，據(jù)觀察，長絲制造和印刷過程都會導(dǎo)致纖維長度退化。據(jù)報道，纖維取向受打印光柵寬度的影響，它會影響打印復(fù)合材料的機械性能 。纖維長度也被認(rèn)為是提高復(fù)合材料機械性能的重要因素。據(jù)報道，纖維分?jǐn)?shù)、取向和長度統(tǒng)稱為纖維效率 ，對3D 打印復(fù)合材料的機械性能有重大影響。實驗研究表明，體積分?jǐn)?shù)超過 30% 的打印復(fù)合材料通常會出現(xiàn)機械性能下降 ，孔隙率的增加被認(rèn)為是隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而機械性能下降的主要原因 。因此，具有較長纖維的復(fù)合材料的增材制造具有巨大的潛力。

在本研究中，開發(fā)了一種耦合計算流體動力學(xué)-離散元方法 （CFD-FEM） 模型來模擬 rCF 復(fù)合材料的流動行為，從而產(chǎn)生了專為 rCF 熱塑性復(fù)合材料量身定制的創(chuàng)新角進(jìn)料擠出 （AFE） 系統(tǒng)。新開發(fā)的 AFE 系統(tǒng)代表了一項技術(shù)進(jìn)步，能夠打印長達(dá) 3.8 mm 的纖維。初步結(jié)果表明，使用 AFE 系統(tǒng)打印的 rCF 增強聚酰胺-6 （rCF/PA6） 復(fù)合材料表現(xiàn)出 10 GPa 的優(yōu)異拉伸模量。此外，通過全面的機械測試和材料微觀結(jié)構(gòu)的詳細(xì)表征，驗證了 AFE 纖維效率對 rCF/PA6 復(fù)合材料的影響，進(jìn)一步證明了 AFE 系統(tǒng)的潛力。

有關(guān)此課題由來自英國愛丁堡大學(xué)材料與工藝研究所聯(lián)合東北大學(xué)冶金學(xué)院和中山大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院的江吳，郭鵬玥，張浩，田麥，張嘉，李奧楠，呂亞輝，張浩琪，楊東敏等學(xué)者進(jìn)行了深度研究，相關(guān)研究成果以“Material extrusion additive manufacturing of recycled discontinuous carbon fibre reinforced thermoplastic composites with high fibre efficiency”發(fā)表在 Additive Manufacturing上

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圖 1 CFD-DEM結(jié)果，說明纖維在這個流場中從0到0.021s的演變

由于在打印過程中物理觀察纖維和邊界壁之間的相互作用極具挑戰(zhàn)性，因此人們高度期待數(shù)值模擬來重現(xiàn)打印過程中復(fù)雜的多相流過程 。在團隊之前的工作中，已經(jīng)建立了一個 CFD-DEM 模型，并成功地用于研究噴嘴中纖維和壁之間的相互作用 。CFD-DEM 的優(yōu)勢在于它能夠監(jiān)測每根纖維，并定量考慮流體的變形和影響。

圖 1a 和 b 突出顯示了兩個不同噴嘴在 0.021 s 時的纖維狀態(tài)。仿真視頻包含在附錄視頻中。從圖中可以清楚地觀察到，使用 45° 噴嘴打印的光柵使纖維保持了更好的對齊和分布，纖維方向保持良好，沒有明顯的纖維斷裂。相比之下，使用 90° 噴嘴打印的光柵表現(xiàn)出更差和無序的纖維狀態(tài)，具有明顯的纖維定向障礙和較大的纖維變形，表明可能存在纖維斷裂。纖維斷裂可以通過作用在纖維上的力及其變形來反映，因為這些力是擠出過程中纖維斷裂的罪魁禍?zhǔn)?。圖 1c 顯示了纖維在流動過程中承受的平均力，揭示了 90° 噴嘴中的纖維比 45° 噴嘴中的纖維承受的力大得多，在 0.012 秒處觀察到特別大的力（90° 噴嘴的狀態(tài) I，45° 噴嘴的狀態(tài) II），其中噴嘴和床垂直接觸。因此，圖 1d 表明，90° 噴嘴中的纖維變形程度明顯大于 45° 噴嘴中的纖維變形程度，一旦纖維從 90° 噴嘴中完全擠出，則觀察到變形顯著減少。這清楚地表明，噴嘴和床之間的垂直角阻礙了纖維的順暢流動。此外，圖 1e 顯示了流動過程中的纖維取向。在 0.021 秒時，當(dāng)纖維完全從噴嘴中擠出時，纖維取向axx 在 45° 噴嘴達(dá)到 0.95 時，而axx在 90° 噴嘴中僅為 0.77。當(dāng)方向接近值 1 時，它表示纖維完全對齊。仿真結(jié)果表明，通過改變噴嘴與床之間的角度，可以有效緩解甚至消除打印 rCF/PA6 復(fù)合材料的堵塞問題。

圖 2

根據(jù) CFD-DEM 仿真結(jié)果，圖2 對 45° 噴嘴的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)說明和說明。噴嘴出口設(shè)計為近似矩形，經(jīng)過 2 mm × 1 mm 尺寸的微銑削，以擠出長度超過 1 mm 的纖維（圖 2b）。出口的面積相當(dāng)于直徑為 1.5 mm 的圓形出口的面積。此修改旨在控制打印光柵的寬度，并更好地沉積和粘附到打印機床上。噴嘴出口處的非錐形截面被保留，因為它被認(rèn)為對于保持纖維取向至關(guān)重要。對于基于 AFE 的 3 軸打印，整個熱端以 45° 角傾斜，并使用 3D 打印夾具牢固地固定在 Prusa i3 MK3s 打印機上，如圖 2a 所示。通過將耗材進(jìn)料的角度調(diào)整到相對于打印床的 45°，燈絲方向傾斜，同時與打印床保持 45° 角。由于打印機噴嘴的標(biāo)題角為 45°，當(dāng)使用傳統(tǒng)的 3 軸打印機打印彎曲路徑而沒有打印床旋轉(zhuǎn)時，將發(fā)生下圖 2c 中描述的打印失敗。這是因為，如圖 2c 中的位置 2 和 3 所示，擠出物的流動與打印的光柵相反。這可能會導(dǎo)致噴嘴堵塞和更多的纖維斷裂，如 CFD-DEM 仿真中所示。因此，有必要使用 5 軸打印機來解決這個問題，確保擠出物始終流向打印的光柵，如圖 2f 所示。因此，基于 Open5x ，開發(fā)了一種基于 AFE 的 5 軸打印機，如圖 2d 所示。在這個系統(tǒng)中，除了 XYZ 軸外，還增加了兩個額外的 U 軸和 V 軸，以床身為中心，允許床身在兩個方向上旋轉(zhuǎn)，如圖 2d 和 e 所示。使用 AFE 噴嘴時，只需將床旋轉(zhuǎn)到所需的角度（圖 2e），簡化了 AFE 系統(tǒng)，使其能夠用于打印更復(fù)雜的路徑和幾何形狀。

圖 3該研究利用兩種不同的回收方法來生產(chǎn) rCF/PA6 原料，第一種方法涉及處理已經(jīng)去除基質(zhì)的 rCF 墊第二種方法涉及回收3D打印的CCF復(fù)合材料樣品，以制造具有高纖維效率的rCF/PA6顆粒。

圖 4所有 rCF 復(fù)合材料的纖維長度如圖 4a 所示，長度分布如圖 4b、c、d、e、f 和 g

圖 5圖 5.rCF/PA6復(fù)合材料的取向：（a） 所有打印試樣的打印方向的纖維取向參考：（I.） rCF-L [19]、（II.） rCF-M 和 （III.） rCF-H 的縱向橫截面。（b） rCF-M 復(fù)合材料和 （c） rCF-H 復(fù)合材料的纖維取向分布;（d） rCF-H 光柵中的纖維取向圖。

圖 6rCF-H 復(fù)合材料的 XCT 成像：（a）rCF-H 細(xì)絲的形態(tài);（b） rCF-H 試樣的形態(tài)（c） rCF-H 復(fù)合材料的空隙細(xì)節(jié)。

在圖 6 中，可以觀察到，打印后，在打印光柵中消除細(xì)絲中觀察到的大空隙，導(dǎo)致孔隙率降低。但高保真 XCT 的視圖尺寸相對較小，打印的試樣中的空白主要是由于增材制造技術(shù)的缺陷。因此，有必要使用具有較大視圖尺寸的低分辨率 XCT 來觀察整個打印試樣中的空隙情況。因此，圖 7b 顯示了所有試樣的孔隙率，可以看出，與 rCF-L 相比，rCF-M 和 rCF-H 表現(xiàn)出更高的孔隙率，達(dá)到約 9 %。這歸因于 rCF-L 中擠出物的粘度較低，有助于在打印過程中更容易填充光柵之間的間隙。圖 7a 顯示了細(xì)絲中的空隙，其中細(xì)長的空隙很可能是在擠出過程中未被漿膜完全浸漬的纖維周圍形成的。圖 7c 所示的較小空隙區(qū)域如前所述，是由于纖維斷裂后的橋接效應(yīng)而形成的。盡管打印后孔隙率明顯降低，但由打印光柵組成的試樣的孔隙率增加，這主要是由于光柵和圖層之間的間隙，如圖 7d 所示。這表明 AM 過程中生成的柵格之間的差距是需要解決的主要問題。此外，在打印光柵中也可以觀察到小尺寸的孔隙（圖 7c）。由原始打印機打印的 rCF-M 復(fù)合材料的孔隙率突出顯示，達(dá)到 15.5%，明顯高于圖 7b 中 AFE 制造的 rCF-H 的 9%。在使用原始打印機打印過程中，噴嘴堵塞會導(dǎo)致聚合物的擠出不均勻和不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致孔隙率增加。這說明了 AFE 有效提高了 rCF 復(fù)合材料的打印質(zhì)量。

圖 7圖 7.rCF 試樣的空隙含量：（a） rCF-H 細(xì)絲中的空隙，（b） 所有打印試樣的孔隙率，（c） 打印的 rCF-H 光柵中的空隙和 （d） 打印的 rCF-H 試樣中的空隙。

圖 8a 和 b 顯示了所有打印的 rCF/PA6 復(fù)合材料的拉伸性能

圖片圖 9.斷裂表面的 SEM 圖像：（a） rCF-L 試樣，（b） rCF-M 試樣和 （c） rCF-H 試樣。兩種復(fù)合材料之間的分形形態(tài)學(xué)沒有顯著差異，都表現(xiàn)出明顯的纖維拉出現(xiàn)象。rCF-H 具有相同的現(xiàn)象，它主要集中在纖維末端的拉出，而不是整個長纖維，如 rCF-H 的 SEM 圖像所示

圖 10印刷的 rCF/PA6 環(huán)：（a） rCF-L、（b） rCF-M、（c） rCF-H 的 rCF 復(fù)合環(huán)的表面形貌。以及所有 rCF/PA6 環(huán)的壓縮測試：（d） 所有樣品的極限壓縮載荷;（e） rCF 復(fù)合環(huán)壓縮試驗的代表性應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖 10d 顯示了所有復(fù)合環(huán)在壓縮測試下的機械性能。與 rCF-M 和 rCF-L 相比，rCF-H 復(fù)合環(huán)在失效時表現(xiàn)出明顯更高的極限載荷，為 450 N，比 rCF-L 環(huán)增加了 80%。此外，圖 10e 還表明，rCF-H 具有最高的剛度，因為它的纖維效率最高 0.226，盡管隨著剛度的增加，失效應(yīng)變會降低。當(dāng)受到壓縮載荷時，復(fù)合環(huán)的內(nèi)圓周受到壓縮，外圓周受到拉伸。因此，該試驗?zāi)茌^好地反映復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。這表明纖維效率的提高可以有效提高基于 AFE 的 5 軸打印系統(tǒng)打印的復(fù)合材料的綜合機械性能。

圖 11 rCF/PA6 復(fù)合材料的演示：（a） 彎曲的桁架和 （b） 薄壁截錐中為了證實 AFE 打印系統(tǒng)的多功能性，制造了一個彎曲的多孔桁架，如圖 11a 所示

在本研究中，概念化、實施和演示了一種稱為角進(jìn)料擠出 （AFE） 的新技術(shù)，以增材制造具有高纖維效率的 rCF/PA6 復(fù)合材料。分析了纖維效率對 3D 打印非連續(xù) rCF 復(fù)合材料機械性能的影響。得出以下結(jié)論：

(1)AFE 能夠成功制造具有高纖維效率的 rCF/PA6 復(fù)合材料，其中最大纖維長度可達(dá) 3.8 毫米，同時保持 30.3% 的體積分?jǐn)?shù)。

(2)纖維方向受纖維長度、纖維含量和柵格寬度的影響。因此，在增材制造過程中，在控制噴嘴尺寸和光柵寬度的同時保持纖維長度可以有效提高纖維效率。

(3)纖維效率顯著影響增材制造的 rCF/PA6 復(fù)合材料的機械性能。具有高纖維效率的 rCF/PA6 復(fù)合材料表現(xiàn)出顯著增強的機械性能。與纖維效率最低的 rCF/PA6 復(fù)合材料相比，拉伸強度和模量分別提高了 90% 和 254%。然而，增材制造的長纖維（例如，長度為 3.8 mm）的 rCF/PA6 復(fù)合材料在失效時容易分層。

(4)將 AFE 系統(tǒng)集成到 5 軸打印機上，為 rCF/PA6 復(fù)合材料提供了更大的制造靈活性，從而能夠打印具有 3D 復(fù)雜幾何形狀和定制纖維布局的復(fù)合結(jié)構(gòu)。