3D打印具有自监测能力的连续碳纤维增强热塑性晶格桁架夹层结构

供稿人：康友伟、田小永
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

晶格桁架夹层结构（LTSS）是由外表面的两个面片和内部阵列分布的桁架夹芯组成的，具有比强度和比刚度高的特点，以及优异的主动冷却、能量吸收和微波吸收等性能，在汽车和航空航天工业中得到了广泛的应用。LTSS可以由不同材料制得，包括金属、陶瓷、聚合物和复合材料，金属和陶瓷较重，聚合物材料力学性能较差，因此纤维增强复合材料得到了越来越多的关注。传统的LTSS制造技术需要复杂的模具和较长的加工时间，而浙江大学的研究团队提出了一种将FDM打印技术和悬挂3D打印相结合的新型双喷头打印方法，利用连续碳纤维增强热塑性复合材料制造LTSS，克服了传统技术的不足，同时还利用碳纤维的电学性能，实现了智能监测。

具体的制造方法见图1，研究人员设计了一种新型的双喷头3D打印系统，打印头1利用纯材料，打印LTSS的两个面片，打印头2利用连续碳纤维增强热塑性复合材料，打印LTSS的桁架夹芯。其中打印桁架夹芯是重难点，研究人员将打印路径分为四个阶段，分别调整树脂与纤维的比例、运动停留时间、路径修正方法等，以实现良好的打印效果。

图1 制造方法示意图：（a）LTSS的制作流程，（b）桁架夹芯的制作流程

研究人员还做了LTSS的力学性能和基于电阻的自监测性能的实验，分析不同桁架倾角的性能差异。从打印角度、桁架支柱直径、桁架高度三个方面评估了打印精度，通过应力-应变曲线分析了LTSS的力学性能，通过如图2所示的试件，测试了电阻随应力的变化关系，结果显示电阻对应力的响应是一致的和可重复的，表明所制造的LTSS具有应力动态自监测能力。

参考文献：
Zhenwei Wang, Congcong Luan, Guangxin Liao, Xinhua Yao, Jianzhong Fu. Mechanical and self-monitoring behaviors of 3D printing smart continuous carbon fiber-thermoplastic lattice truss sandwich structure[J]. Composites Part B, 2019.