本文摘要：摘要為實(shí)現(xiàn)高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料低成本、一體化快速制造，本文研究了一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印技術(shù)。借鑒熔融沉積成形工藝，建立了其成形原理，設(shè)計(jì)了集成打印頭模塊并搭建原理樣機(jī)，采用二級(jí)噴嘴對(duì)打印工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，建立了工藝參
摘要為實(shí)現(xiàn)高性能纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料低成本、一體化快速制造，本文研究了一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印技術(shù)。借鑒熔融沉積成形工藝，建立了其成形原理，設(shè)計(jì)了集成打印頭模塊并搭建原理樣機(jī)，采用二級(jí)噴嘴對(duì)打印工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，建立了工藝參數(shù)對(duì)纖維含量與力學(xué)性能的影響關(guān)系，在纖維體積含量達(dá)到44.1vol%時(shí)，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與模量達(dá)到405MPa與80.6GPa，彎曲強(qiáng)度與模量達(dá)到565.8MPa與62.1GPa。
關(guān)鍵詞連續(xù)纖維3D打印工藝參數(shù)調(diào)控
1引言
纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、比重小、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、軍事國(guó)防、汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，特別是對(duì)于纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，相比于熱固性復(fù)合材料其具有更高的沖擊韌性、更短的成型周期以及可回收性等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到越來(lái)越多的關(guān)注與應(yīng)用，形成了一系列相對(duì)成熟的制造技術(shù)，主要有熱壓成形、纏繞成形、鋪放成形、RTM成形等，但傳統(tǒng)制造技術(shù)一方面工藝流程復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)專用的模具，周期長(zhǎng)，成本高;另一方面，模具的存在限制了零件結(jié)構(gòu)，難以一體化成形復(fù)雜構(gòu)件，通常需要配合復(fù)雜的機(jī)加與膠接等后處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)，既提高了加工成本，連接處也會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件整體性能的下降，傳統(tǒng)成形工藝的缺點(diǎn)成為限制復(fù)合材料進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸，克服以上瓶頸開發(fā)新的成形工藝是促進(jìn)復(fù)合材料長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的重中之重。
為解決傳統(tǒng)復(fù)合材料制造技術(shù)面臨的共性問題，近年來(lái)研究者提出了將3D打印技術(shù)應(yīng)用于纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制造過程中，3D打印具有無(wú)模自由成形的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠擺脫高昂的模具限制與冗長(zhǎng)的工藝流程，大大降低復(fù)合材料的加工成本與時(shí)間成本，此外3D打印具有更多的設(shè)計(jì)與制造自由度，理論上可以制造任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，恰好能夠克服傳統(tǒng)復(fù)合材料制造技術(shù)的不足，具有實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料低成本、一體化制造的潛力，但在早期大多數(shù)采用的都是增強(qiáng)顆�；蛘叨糖欣w維進(jìn)行3D打印，復(fù)合材料的力學(xué)性能較3D打印純塑料的提升效果均十分有限，無(wú)法滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。
本文研究了一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印技術(shù)，建立了成形機(jī)理，設(shè)計(jì)開發(fā)了集成打印頭模塊，搭建了原理樣機(jī)，以連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍6為原材料探索打印工藝，研究了采用雙級(jí)噴嘴對(duì)其進(jìn)行參數(shù)調(diào)控的方法，獲得了不同工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料纖維含量與力學(xué)性能的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料性能可控制造。
2成形原理與原理樣機(jī)
(1)成形原理
本文研究一種基于熔融沉積成形(FDM)的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印技術(shù)(CFRTP-FDM)，其成形原理如圖1所示。打印流程與FDM工藝相似，最大的區(qū)別在于該技術(shù)是將連續(xù)纖維與熱塑性樹脂絲材同時(shí)送入到打印頭內(nèi)，主要包括熔融浸漬、擠出沉積與堆積成形三個(gè)過程：熔融浸漬過程為復(fù)合材料的制備過程，分別以連續(xù)纖維與熱塑性樹脂絲材為原材料，二者同時(shí)送入到同一個(gè)3D打印頭，在打印頭內(nèi)部樹脂加熱熔融之后浸漬纖維束形成復(fù)合材料，之后從噴嘴出口處擠出沉積在打印平面上，隨后樹脂基體在空氣中迅速冷卻，一方面粘附在打印平臺(tái)上，另一方面將纖維固定防止被拉出，已經(jīng)固定的纖維束會(huì)對(duì)后續(xù)擠出的熔融樹脂中的纖維產(chǎn)生軸向拉力，在該拉力作用下，連續(xù)纖維能夠不斷地從噴嘴中被拉出;堆積成形過程是在打印路徑控制下，3D打印頭擠出復(fù)合材料由線到面、由面到體逐漸堆積成形三維零件。
(2)原理樣機(jī)
根據(jù)CFRTP-FDM工藝成形原理，借鑒傳統(tǒng)桌面型FDM打印設(shè)備設(shè)計(jì)開發(fā)原理樣機(jī)，如圖2所示，主要由復(fù)合材料集成打印頭模塊、三維運(yùn)動(dòng)模塊、溫度控制模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊等組成，其中最為核心為其集成打印頭模塊，與傳統(tǒng)FDM打印頭區(qū)別較大需要進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)。打印頭模塊主要由纖維與樹脂送絲單元、加熱單元、散熱單元三部分組成，為保證樹脂與纖維同時(shí)輸送，在同一加熱塊內(nèi)部設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立的材料入口以及通道，兩處通道在下方噴嘴內(nèi)部熔融腔處交匯在高溫與內(nèi)部壓力作用下完成兩種材料的復(fù)合。
最終從噴嘴下方同一出口處擠出，其中樹脂絲材的輸送采用傳統(tǒng)FDM遠(yuǎn)程送絲的方式，在纖維輸送過程中為防止纖維發(fā)生摩擦損傷，采用聚四氟乙烯管將連續(xù)纖維送入加熱塊內(nèi)部，之后在加熱塊上端嵌套纖維導(dǎo)管，連續(xù)纖維通過纖維導(dǎo)管的內(nèi)孔進(jìn)入到噴嘴內(nèi)部，同時(shí)對(duì)與纖維直接接觸的零部件進(jìn)行圓弧倒角處理，特別是在噴嘴出口處纖維擠出時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)噴嘴出口端對(duì)擠出材料有一定壓力作用纖維受到剪切力特別容易被剪斷，需要對(duì)噴嘴出口處進(jìn)行微倒角設(shè)計(jì)以加工專用噴嘴。打印頭模塊的其他單元以及原理樣機(jī)其他模塊的設(shè)計(jì)都與傳統(tǒng)FDM工藝相同。
3雙級(jí)噴嘴工藝參數(shù)調(diào)控
與傳統(tǒng)FDM工藝相似，在CFRTP-FDM過程中存在多個(gè)打印工藝參數(shù)，本文以連續(xù)碳纖維(1K-T300B-1000，日本東麗)與尼龍6(PA6，中國(guó)施派普瑞)為原材料，利用開發(fā)的原理樣機(jī)對(duì)打印工藝參數(shù)開展研究，主要包括打印頭溫度(T1，℃)、底板溫度(T2，℃)、打印速度(V，mm/min)、分層厚度(L，mm)、掃描間距(H，mm)、送絲速度(E，mm/min)六個(gè)參數(shù)，打印頭溫度T1主要用于融化樹脂與纖維復(fù)合，根據(jù)PA6的熔點(diǎn)選擇270℃，底板溫度T2用于增加打印過程中底板與零件的粘結(jié)力，對(duì)于尼龍6打印溫度高且存在結(jié)晶行為因此在冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，容易造成零件發(fā)生收縮、翹曲變形從底板上剝離。
為此本文選擇較高的底板溫度為120℃，以上兩個(gè)溫度可以利用溫度控制模塊進(jìn)行調(diào)節(jié);打印速度V指的是噴頭模塊的移動(dòng)速度，由于連續(xù)碳纖維的存在，過快的速度會(huì)導(dǎo)致纖維與樹脂在噴嘴內(nèi)部的復(fù)合時(shí)間變短，且容易造成纖維損傷，為此選擇100mm/min的打印速度;分層厚度L指的是3D打印相鄰層之間的距離，可以在每一層打印結(jié)束后改變Z軸的上升高度進(jìn)行調(diào)整，掃描間距H指的是3D打印相鄰線之間的距離，在純塑料FDM打印過程中，一般掃描間距的大小是與打印頭下方的噴嘴出口直徑相同，改變掃描間距需要更換不同出口直徑的噴嘴即可，但對(duì)于CFRTP-FDM工藝，若采用傳統(tǒng)的整體式單級(jí)噴嘴，當(dāng)掃描間距較小時(shí)，噴嘴出口直徑D較小，噴嘴出口處倒角不易加工，出口存在較鋒利的加工面，打印過程中纖維比較容易被破壞。
噴嘴直徑D較大時(shí)，其掃描間距與噴嘴直徑不相匹配，導(dǎo)致打印過程中樹脂吐絲量不均勻，從而導(dǎo)致制件表面質(zhì)量差。為改變整體式單級(jí)噴嘴帶來(lái)的問題，本文創(chuàng)新性設(shè)計(jì)出可拆卸式嵌套雙級(jí)噴嘴所示，內(nèi)部為直徑可變的一級(jí)內(nèi)嵌噴嘴D1，外部嵌套二級(jí)噴嘴D2，二者通過螺紋連接。
在打印過程中D1用于控制樹脂的吐絲量，掃描間距改變時(shí)，D1隨之改變;過渡段是一級(jí)噴嘴出口與二級(jí)噴嘴出口之間的垂直距離，能夠保證纖維與噴嘴相垂直而使得纖維不受剪力，在打印過程中不會(huì)破壞及剪斷纖維;二級(jí)噴嘴D2采用出口直徑較大圓滑過渡的噴嘴，對(duì)纖維的剪切作用較小，在打印過程中由于噴嘴加熱，對(duì)沿打印方向前端的復(fù)合材料起到預(yù)熱的作用，對(duì)沿打印方向后端的復(fù)合材料起到熱壓作用。送絲速度E指的是單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入打印頭內(nèi)部PA6樹脂量，通過改變送絲步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，該參數(shù)并不是獨(dú)立存在而是與掃描間距與分層厚度相互耦合的，送絲速度的大小根據(jù)不同的H與L存在合適的參數(shù)值。
本文主要研究分層厚度L、掃描間距H、送絲速度E三個(gè)工藝參數(shù)的變化，根據(jù)前期的探索性實(shí)驗(yàn)選擇了兩組不同的參數(shù)組合，分別為H1.0/L0.3/E70以及H0.5/L0.2/E60，兩組工藝參數(shù)組合下打印的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PA6復(fù)合材料所示。
4纖維含量與力學(xué)性能
采用燃燒法(ASTMD3171-15)檢測(cè)兩組工藝參數(shù)組合下CCF/PA6復(fù)合材料中的纖維體積含量，如圖4所示，在工藝參數(shù)組合H1.0/L0.3/E70時(shí)復(fù)合材料的纖維體積含量為16.4vol%左右，而在H0.5/L0.2/E60時(shí)的纖維含量得到了大幅度的提升，達(dá)到了44.1vol%左右，主要是由于后者纖維鋪放的層數(shù)以及每一層的行數(shù)更多。
兩組工藝參數(shù)組合下復(fù)合材料的力學(xué)性能如圖5所示，CCF/PA6復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與模量由H1.0/L0.3/E70的235.6MPa與25.2GPa分別提升到H0.5/L0.2/E60的405MPa與80.6GPa，彎曲強(qiáng)度與模量由H1.0/L0.3/E70的229.3MPa與9.9GPa分別提升到H0.5/L0.2/E60的565.8MPa與62.1GPa，力學(xué)性能的提升主要原因是由于纖維含量的增加。
5結(jié)論
本文研究了一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料熔融沉積成形3D打印技術(shù)(CFRTP-FDM)，建立了其熔融浸漬-擠出沉積-堆積成形的工藝原理，設(shè)計(jì)了復(fù)合材料集成打印頭模塊實(shí)現(xiàn)了樹脂與纖維的同時(shí)輸送與復(fù)合，搭建了原理樣機(jī)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料低成本一體化快速制造，設(shè)計(jì)二級(jí)噴嘴實(shí)現(xiàn)打印工藝參數(shù)的精確調(diào)控，從而獲得具有不同纖維含量與力學(xué)性能的復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的性能可控制造。
作者：劉騰飛田小永
材料論文投稿刊物：《復(fù)合材料學(xué)報(bào)》本刊主要刊載我國(guó)復(fù)合材料基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面具有創(chuàng)造性、高水平和具有重要意義的最新研究成果的論文�？d范圍:纖維、織物、顆粒或晶須增強(qiáng)聚合物基、金屬基、陶瓷基等復(fù)合材料及其復(fù)合薄膜或復(fù)合涂層材料(包括：結(jié)構(gòu)、功能、生物骨結(jié)構(gòu)、電子、建筑等復(fù)合材料)的制備、性能、設(shè)計(jì)等，以促進(jìn)國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流及先進(jìn)復(fù)合材料的推廣應(yīng)用。
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