连续碳纤维增强热塑性塑料的3D压实打印

供稿人：云京新、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　

3D打印制件的机械性能往往低于传统成型技术制造的产品，这是由于在打印过程中出现大量空隙，且微珠之间的界面剪切强度较低。为了解决这个问题，前人已经提出了一些技术，例如真空条件下的3D打印，3D打印期间的热处理、后处理退火，以及3D打印过程中的压实等技术。通过上述技术，3D打印过程中的压实有可能在不进行后处理的情况下大幅提高3D打印产品的机械性能。尽管压实辊或压紧头已被用于自动铺带制造，但是与3D打印应用相关的研究报告还比较少。

针对3D打印过程中缺陷较多的问题，日本大学的研究团队提出了一种用于3D打印的热压辊技术，以减少空隙并提高3D打印产品中微珠之间的粘附力，其设备结构与成形原理如下图1所示。与传统的3D打印（3DP）相比，这种3D打印方法被称为3D压实打印（3DCP）。用3DCP和3DP制备拉伸和弯曲试样，证实了热压辊对机械性能的提高。随后，随后对3DP试样进行热压成型后处理，并与3DCP试样的力学性能进行比较。最终结果表明：3D打印过程中热压成形的效果与热压成型后处理基本相同。

图1. 3D压实打印机。a）已开发的打印机， b）打印机头示意图图像：Z向相对位移Dzis与压实力相关，c）3D压实打印：压实辊由筒式加热器加热。
总之，该团队开发了一种连续碳纤维增强热塑性塑料（CFRTP）的3D压实打印（3DCP）技术，并通过该技术制备了单向CFRTP试样，对其拉伸和弯曲性能进行了研究。试验结果表明，在3D打印过程中，热压处理提高了CFRTP的拉伸和弯曲性能，可以取得与热压成型后处理相同的效果。并通过扫描电子显微镜和x射线计算机断层扫描对试样中的空隙进行观察，证实了热压实降低了空隙含量。结合各项实验结果综合表明，3DCP在结构用CFRTP零件制造方面优于传统FFF。

参考文献：
Masahito Ueda, Shun Kishimoto, Masao Yamawaki, et al. 3D compaction printing of a continuous carbon fiber reinforced thermoplastic[J]. Composites Part A,2020,137,105985.