基于材料挤压的可调控软硬混合纤维增强热塑性复合材料（CCFRTP-TSSH）研究

导读：作为一种革命性的制造技术，材料挤压在制造热塑性复合材料方面表现出巨大的潜力。然而，应用可控的多种热塑性材料生产基于材料挤压的可调控软硬混合纤维增强热塑性复合材料（CCFRTP-TSSH）还没有得到广泛的研究。

2022年4月，南极熊获悉，浙江大学机械工程学院、西北工业大学宇航学院、中国科学院第四研究所等的研究人员在《Additive Manufacturing 》上发表了一项题为《Tunable soft–stiff hybridized fiber-reinforced thermoplastic composites using controllable multimaterial additive manufacturing technology》（《利用可控的多材料增材制造技术实现软硬混杂的纤维增强热塑性复合材料的可行性》）的研究。研究人员提出了一种可控的多材料增材制造工艺，使用连续碳纤维（CCF）作为热塑性结构的增强剂。通过采用热塑性聚氨酯（TPU）和聚乳酸（PLA）分别作为软性和刚性材料，实现了结构加固和可调控的软硬混合。让我们看一下他们具体的研究内容吧！

此前多材料挤压打印的方法主要集中在以下两种方式上。(i)单喷嘴挤压，即在一个喷嘴熔化区内混合各种热塑性材料。(ii)多喷嘴挤压，即为每种热塑性材料分配一个单独的喷。目前，单喷嘴挤出只实现了混色打印或均匀的热塑性材料的纤维增强功能。与单喷嘴挤出相比，多喷嘴挤出工艺减少了所需的构建时间，但也遇到了很多问题，如空闲喷嘴的热塑性材料的渗出等。 尽管材料挤压法表现出巨大的潜力，可用于生产软硬混合复合材料，但它仍然还面临着很多的问题。(i) 材料输送的运动控制 。(ii) 工艺参数选择，包括层厚、喷嘴直径、沉积速度、建筑方向、温度和材料比例。 所有这些因素都会影响各种热塑性材料之间的界面融合性能，从而导致最终产品的机械性能变化。 本研究旨在制造可调控的软硬混合纤维增强材料。


△可控多材料增材制造设备的示意图和实物图。(a)新型喷嘴系统示意图，(b)多材料挤压喷嘴，(c)CCFRTP-TSSH打印示意图，(d)多材料挤压喷嘴的等距视图，(e)多材料挤压喷嘴的剖视图，(f)多材料挤压喷嘴的底视图，(g)增材制造设备示意图，（h)增材制造设备的实物图。

研究人员将CCF（连续碳纤维）集成到三维打印的热塑性结构中，以生产CCFRTP-TSSH（软硬混合型纤维增强热塑性复合材料)。他们系统地研究并讨论了在不同工艺参数（包括喷嘴温度、层厚和树脂体积比SRVR）下制造的CCFRTP-TSSH试样的机械性能。

△各种材料的拉伸试验和CCFRTP-TSSH的工艺参数

结果表明，在层厚为0.3-0.8mm时，拉伸强度大于44MPa。此外，试样的抗拉强度随着层厚的减少而逐渐增加；当层厚为0.3毫米时，抗拉强度为80.05兆帕，大约是层厚为0.8毫米的试样的两倍。此外，挤压比对拉伸强度有很大影响，它随着SRVR的增加而增加。当SRVR达到0.72时，试样的抗拉强度增加到90.89MPa。此外，喷嘴温度也影响了拉伸强度，可行的喷嘴温度在200至220℃之间，其中最佳温度为215℃。


△CCFRTP-TSSH在不同加载方向下的弯曲强度

从三点弯曲试验中可以看出，弯曲强度取决于层厚和加载方向。


△CCFRTP-TSSH试样在不同的SRVR下的SEM图像：（a）0.66，（b）0.68，（c）0.70，和（d）0.72。

研究人员还采用SEM来证明SRVR对不同界面的融合的影响。SEM图像显示，SRVR的增加减少了PLA/PLA、PLA/CCF和PLA/TPU界面之间的空隙，这可以随着CCFRTP-TSSH的机械性能的改善而改善界面的粘合效果。

同时，研究人员还研究了各种工艺参数下的硬壁和软壁厚度，以实现可控性和增强可调谐的软硬混合。最终，成功制造了几个不同的部件出来。所提出的方法在假肢领域具有相当大的应用潜力。


△用于假肢的CCFRTP-TSSH部件从需求到制造的完整过程。