更为坚固的复合材料3D打印线材

伊朗聚合物和石化研究所的研究人员正在深入研究玻璃纤维增强3D打印线材的机械性能，以实现更强的复合材料。该团队准备了基于ABS的复合线材，进行拉伸，弯曲和扭转测试，以评估所得3D打印部件的机械行为。根据该研究论文，这是第一项显示ABS重量百分比对3D打印连续纤维增强复合材料部件机械性能影响的研究，为改进材料配方铺平了道路。

△在进行机械测试之前，每个样本都以之字形3D打印。图片来自伊朗聚合物和石化研究所。

对连续纤维增强的需求

熔融挤出式3D打印制造，或FFF，是目前应用最广泛的3D打印技术。该工艺的低成本和易用性使其适用于全球各个角落的业余爱好者制造商，同时它也在专业和工业环境中具有广泛的应用。例如，汽车行业已经利用FFF 3D打印机来处理从原型和最终用途零件到制造工具和备件的所有产品。不幸的是，FFF部件往往强度相对较低 - 即使是在高性能3D打印机上制造的部件也是如此。解决这个问题的一种方法是使用纤维增强材料，这可以分为两种不同的类型：短切纤维和连续纤维。短切纤维很短，只需填充材料基质，无需任何指定的方向，而连续纤维则沿着特定平面从零件的一端延伸到另一端。前者更容易实现，但会带来诸如喷嘴堵塞和零件强度不足等问题。后者虽然更难实现，但会产生更高强度的3D打印部件，其强度可能比未增强的对应物强数十倍。

△由Anisofprint3D打印的连续纤维增强复合材料部件。照片来自Anisoprint。

首先，研究小组准备了四种不同的连续玻璃纤维增强ABS配方（ABS重量为2%，10%，20%和30%）。每个复合长丝都用于3D打印测试样品部件，然后通过拉伸，三点弯曲和层间剪切强度测试对其进行评估。

结果表明，复合材料的抗拉强度值分别为89、91、91和94MPa。正如预期的那样，所有四个值都明显高于整齐的ABS，后者仅为28MPa。事实上，力学试验结果还表明，与基础ABS相比，所有玻璃纤维增强复合材料在拉伸、三点弯曲和扭转试验中的强度和模量都有所提高。因此，研究小组得出结论，应使用ABS的最小重量百分比（2%）来实现玻璃纤维增强复合材料的最大机械性能。该研究的更多细节可以在题为"3D打印连续玻璃丝束预紧增强复合材料的力学性能的实验和数值研究"的论文中找到。

纤维增强长丝对于实现某些高性能3D打印应用至关重要。最近，麦吉尔大学和瑞尔森大学的工程师设法将风力涡轮机废料转化为坚固的增强型PLA 3D打印材料。使用机械研磨和热解的混合物，该团队能够将现已停产的风力涡轮机叶片回收成细纤维粉末，其强度和刚度高于原始玻璃纤维。在其他地方，复合材料3D打印技术的开发商Continuous Composites从国防部获得了75万美元的合同，用于3D打印多功能复合材料机翼结构，用于可消耗（低成本，一次性）无人驾驶飞机。