雙噴嘴3D打印機(jī)在連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料原位浸漬3D打印中的新應(yīng)用

來(lái)源：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打印）分會(huì)
供稿人：張燦、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)全國(guó)精密微納制造技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

近年來(lái)，由于其高比剛度和強(qiáng)度，干纖維束增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料(CFRPCs)在研究和應(yīng)用中引起了廣泛關(guān)注。CFRPCs已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、土木工程和其他工程領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的制造工藝需要復(fù)雜的制造步驟和各種模具，限制了CFRPCs的廣泛應(yīng)用。定制的雙噴嘴熔融絲制造（FFF）設(shè)備用于CFRPCs的兩階段原位浸漬，該設(shè)備是基于商業(yè)3D打印機(jī)（Wiiboox THREE S PRO，Wiiboox 3D Technology Co., LTD，中國(guó)）開發(fā)的。如圖1所示，基于FFF的3D打印機(jī)系統(tǒng)配備了兩個(gè)噴嘴：一個(gè)用于制造浸漬連續(xù)纖維絲材，另一個(gè)用于同時(shí)打印CFRPCs。3D打印的打印壓力有助于將熱塑性基體滲透到纖維束中，最小化孔洞的形成并提高CFRPCs的機(jī)械性能，同時(shí)噴嘴下方的平臺(tái)也可以提供額外的打印壓力。

圖1 3D打印CFRPCs的兩階段原位浸漬示意圖。

在本研究中，苧麻和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的纖維間距（相鄰沉積線之間的中心距離）是一致的，分別約為1.00毫米和1.30毫米。然而，如圖2所示，采用兩階段原位浸漬方法打印的樣品，其纖維束寬度比單階段原位浸漬打印的樣品要寬。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)兩階段原位浸漬方法打印的復(fù)合材料中，苧麻和碳纖維的纖維束寬度分別為0.56毫米和0.93毫米，與單階段原位浸漬方法打印的樣品相比，分別增加了24.4%和32.8%。在打印過(guò)程中，噴嘴擠出絲材并在平臺(tái)上或之前鋪設(shè)的復(fù)合層上進(jìn)行壓實(shí)。由于噴嘴和平臺(tái)（或之前鋪設(shè)的復(fù)合層）之間的打印壓力，圓形的纖維束呈現(xiàn)出扁平形狀。盡管如此，部分固化的樹脂無(wú)法完全固定纖維束，導(dǎo)致在移除打印壓力后，扁平的纖維束發(fā)生反彈。對(duì)于兩階段浸漬方法，兩次打印壓力的作用促進(jìn)了熱塑性基體滲透到纖維束中，并穩(wěn)定了纖維形狀，從而實(shí)現(xiàn)了更大的纖維束寬度。

圖2 單階段原位浸漬法打印的樣品表面圖像(a,b)和雙階段原位浸漬法打印的樣品表面圖像(c, d)

本研究中進(jìn)行了拉伸測(cè)試以評(píng)估單階段和雙階段原位浸漬方法打印的CFRPCs在機(jī)械行為上的差異，結(jié)果如圖3所示。在該圖中，可以看到通過(guò)雙階段原位浸漬方法打印的樣品的拉伸強(qiáng)度和模量顯著增加，與單階段原位浸漬方法打印的樣品相比，無(wú)論柵格化方向和增強(qiáng)纖維的類型如何。以采用±45°柵格化方向的碳纖維增強(qiáng)的樣品為例，通過(guò)雙階段原位浸漬方法打印的樣品的拉伸強(qiáng)度和模量分別比單階段原位浸漬方法打印的樣品增加了9.8%和15.0%。機(jī)械性能的提升為纖維/基體浸漬效果增強(qiáng)提供了有力的證據(jù)。

圖3 (a) (b) 苧麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和 (c) (d) 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量

參考文獻(xiàn)：
Wang, Kui, Yangyu Huang, Ping Cheng, Yi Xiong, Antoine Le Duigou, Yong Peng, Yanni Rao and Said Ahzi. “Novel application of dual-nozzle 3D printer for enhanced in-situ impregnation 3D printing of dry continuous fiber reinforced composites.” Composites Part A: Applied Science and Manufacturing (2024): n. pag.