3D打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料中的纖維錯位和斷裂

供稿人：劉騰達(dá) 王玲
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

近些年，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其具有諸如高比強(qiáng)度和高比剛度等優(yōu)越的機(jī)械性能已經(jīng)被越來越多地應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身和其他高端工業(yè)產(chǎn)品。對于具有復(fù)雜幾何形狀的復(fù)合材料零件，可以在FDM工藝中根據(jù)性能要求鋪設(shè)纖維。但在FDM打印過程中，噴嘴牽引纖維轉(zhuǎn)向過程中可能會出現(xiàn)一些缺陷，包括平面外起皺、起泡、牽引向上拉和剪切效應(yīng)。從而進(jìn)一步影響制件的機(jī)械性能。

針對此問題，英國愛丁堡大學(xué)的Haoqi Zhang等人通過打印不同轉(zhuǎn)角和曲率的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單條紋，研究了1K連續(xù)碳纖維長絲在FDM打印過程中的纖維錯位和斷裂的形成過程，并對缺陷的形成過程進(jìn)行了分析。

不同轉(zhuǎn)向角的復(fù)合材料單條紋打印效果如圖1所示，當(dāng)轉(zhuǎn)向角為30°時，復(fù)合材料絲材被壓平，其中大多數(shù)連續(xù)纖維的實際轉(zhuǎn)向角一致。當(dāng)轉(zhuǎn)向角增加到60°時，纖維束開始折疊，其中一些連續(xù)的纖維在從外周翻轉(zhuǎn)到內(nèi)周。隨著打印轉(zhuǎn)向角繼續(xù)增大到120°時，可以在打印絲的轉(zhuǎn)向點處看到明顯的折疊，且在轉(zhuǎn)角處長絲的平均寬度減小，產(chǎn)生了較大的無纖維區(qū)域。當(dāng)轉(zhuǎn)向角為150°和180°時，纖維嚴(yán)重扭曲和錯位，并且觀察到有纖維斷裂。因此，在實際打印中，應(yīng)盡可能避免使用轉(zhuǎn)向角大于120°的打印路徑。

圖1 FDM工藝打印的不同轉(zhuǎn)角的碳纖維長絲(a) 30° (b) 60° (c) 90° (d) 120° (e) 150° (f) 180°

不同曲率半徑的復(fù)合材料單條紋打印效果如圖2所示，對于曲率半徑為20mm的單條紋，未觀察到明顯的表面缺陷，單條紋寬度沿打印方向大致一致。在直徑為10毫米的情況下，長絲內(nèi)周的纖維會扭曲和起皺。當(dāng)達(dá)到5mm時，這兩種缺陷出現(xiàn)的頻率更高。在曲率半徑為2.5mm的情況下，單條條紋很難按設(shè)計的路徑打印，觀察到內(nèi)外周完全轉(zhuǎn)變的纖維折疊現(xiàn)象。此外，在曲率半徑為5和2.5 mm的情況下，少量纖維斷裂。因此，在實際打印過程中，應(yīng)盡可能避免使用曲率半徑小于5mm的打印路徑。

圖2 FDM工藝打印的不同曲率半徑的碳纖維長絲

參考文獻(xiàn)：
H. Zhang, J. Chen, D. Yang, Fibre misalignment and breakage in 3D printing of continuous carbon fibre reinforced thermoplastic composites, Additive Manufacturing 38 (2021).