雙噴嘴3D打印機在連續(xù)纖維增強復合材料原位浸漬3D打印中的新應用

來源：中國機械工程學會增材制造技術(shù)（3D打印）分會
供稿人：張燦、田小永 供稿單位：西安交通大學全國精密微納制造技術(shù)國家重點實驗室

近年來，由于其高比剛度和強度，干纖維束增強聚合物基復合材料(CFRPCs)在研究和應用中引起了廣泛關(guān)注。CFRPCs已廣泛應用于航空航天、汽車、土木工程和其他工程領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的制造工藝需要復雜的制造步驟和各種模具，限制了CFRPCs的廣泛應用。定制的雙噴嘴熔融絲制造（FFF）設備用于CFRPCs的兩階段原位浸漬，該設備是基于商業(yè)3D打印機（Wiiboox THREE S PRO，Wiiboox 3D Technology Co., LTD，中國）開發(fā)的。如圖1所示，基于FFF的3D打印機系統(tǒng)配備了兩個噴嘴：一個用于制造浸漬連續(xù)纖維絲材，另一個用于同時打印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的機械性能，同時噴嘴下方的平臺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，苧麻和碳纖維增強復合材料的纖維間距（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。具體來說，通過兩階段原位浸漬方法打印的復合材料中，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%。在打印過程中，噴嘴擠出絲材并在平臺上或之前鋪設的復合層上進行壓實。由于噴嘴和平臺（或之前鋪設的復合層）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，部分固化的樹脂無法完全固定纖維束，導致在移除打印壓力后，扁平的纖維束發(fā)生反彈。對于兩階段浸漬方法，兩次打印壓力的作用促進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)

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

圖3 (a) (b) 苧麻纖維增強復合材料和 (c) (d) 碳纖維增強復合材料的強度和模量

參考文獻：
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.