连续长纤维复合材料3D打印技术及其仿生设计领域应用

供稿人：刘哲、高琳
供稿单位：默认：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

纤维增强复合材料是由高强度连续纤维与聚合物基体复合而成的一种理想的高性能复合材料。与短纤维相比，连续长纤维可以更有效地提高纤维复合材料的力学性能。在纤维增强复合材料应用领域，如何实现连续长束芳纶纤维增强复合材料长丝制造和连续纤维打印仍然是备受关注的问题。

近期，吉林大学研究团队通过改进传统熔融打印机实现了连续长纤维复合材料的打印，并通过3D打印技术制作了一种与甲虫上颚结构相似的仿生设计。首先该团队对3D打印机喷头进行了改造，使纤维和聚乳酸（PLA）能够同时挤出，从而制备出纤维嵌入的3D打印丝材，如图1（a）所示。改造喷头后，将PLA小球倒入3D打印机挤出机的喂料斗中通过熔融混合的工艺，在喷头处将PLA与芳纶纤维一起挤出，从而生产出连续的芳纶纤维增强复合长丝，原理图如图1（b）所示。

图 1（a）挤出机的改造示意图，(b)芳纶纤维增强复合长丝的制备示意图

该团队对自制的芳纶纤维/PLA和纯PLA长丝进行了拉伸测试，结果表明相比，芳纶纤维/PLA复合长丝拉伸强度比纯PLA长丝提高了32%。

图 2（1）模型结构示意图，（2）力学实验数据，（3）拉伸断裂电镜图，（4）冲击断裂电镜图

通过观察甲虫的上颚的纤维交叉排列方式，研究团队设计了四种模型进行对比实验，如图2（1）。为了研究仿生纤维交叉结构对机械强度的影响，对四种模型的拉伸强度和冲击韧性等力学性能进行了实验。结果表明带有芳纶纤维和PLA复合材料的模型III和IV的拉伸强度分别比纯PLA材料的模型I和II高40%和12%，如图2（2）。当层合纤维十字腹板试样受到外力作用时，交叉排列的复合长丝可以阻止裂纹的扩展，因此，与平行排列的连续芳纶相比，具有仿生结构的复合材料表现出更优异的止裂性能。但纤维与PLA之间的层间结合较弱，所以仿生纤维复合材料的冲击韧性低于纯PLA。

该文献为利用PLA和连续芳纶进行3D打印纤维增强复合材料提供了一种新颖有效的制备方法。也就如何增强芳纶纤维与PLA界面之间的结合能力来进一步提升其力学性能，提出了新的挑战。

参考文献：
Shuigen L ,Chang L ,Yulong Z , et al. Continuous 3D Printing of Biomimetic Beetle Mandible Structure with Long Bundles of Aramid Fiber Composites.[J]. Biomimetics (Basel, Switzerland),2023,8(3).