复材顶刊：3D 打印低孔隙率和连续碳纤维增强材料的双聚合物复合材料

来源：材料学网

导读：新兴的连续纤维 3D 打印技术能够在制造过程中实现纤维转向和定制的弯曲纤维路径，这可能会增强具有几何奇异性的复合材料机械性能。本文全面研究了纤维铺放对开孔复合材料单轴拉伸力学性能的影响。提出了一种混合制造技术，可以制造具有低孔隙率和定制连续碳纤维增强材料的 3D 打印双聚合物复合材料。采用沿最大主应力轨迹放置连续纤维的概念，发现与钻孔样品相比，可以提高复合材料的强度并显着延迟裂纹萌生。沿着最小主应力轨迹和孔周围发现显著改变了样品的失效模式和机械性能。该研究为具有复杂形状和/或几何奇异性的 3D 打印复合材料的定制设计提供了一个非常有用的工具。

连续碳纤维增强聚合物 (CCFRP) 复合材料因其高强度和高刚度重量比而广泛用于航空航天和汽车工业。CCFRP 的传统制造技术，如压缩成型、真空袋装和高压釜，通常面临制造具有复杂几何形状的复合结构的挑战。自动铺带 (ATL) 和自动纤维铺放 (AFP) 等其他工艺使用计算机引导的机器人技术将纤维带/丝束铺设到模具上，允许复杂的铺层几何形状。然而，ATL/AFP 不可避免地会在基础设施上花费更多，并且由于纤维丝束较宽（通常在 3 毫米和 13 毫米之间），在丝束转向过程中会出现严重的制造缺陷。最近，正在开发增材制造（通常也称为 3D 打印）以低成本制造具有高度复杂形状的复合材料。其中，熔融长丝制造 (FFF) 3D 打印将热塑性长丝逐层熔化并沉积，以创建三维部件，而无需借助模具。低成本和高精度的优势使3D打印成为一种很有前途的连续纤维增强复合材料的制造方法。

CCFRP 复合材料的 FFF 技术还提供了控制材料沉积路径的机会和灵活性。迄今为止，已经报道了一些用于连续纤维铺放的优化方法。可变刚度设计最初是为了以最佳方向正确放置纤维而开发的，其中机械性能，例如刚度和屈曲载荷，在计算模拟中得到了改进。然而，传统的制造工艺甚至增材制造都难以实现离散和局部的纤维取向。因此，通常采用流线生成方法来生成连续纤维的实际打印路径。另一种常见的方法是应力线法，例如，在我们之前的研究中，提出了一种新概念，即沿着主应力轨迹放置弯曲的连续纤维，以提高强度和刚度 。此外，李等人。提出了一种巧妙的路径设计 3D 打印方法，该方法考虑了连续纤维的载荷传递路径和各向异性特性。然而，不同纤维放置方法的有效性和 3D 打印复合结构的机械响应尚未得到充分研究。这部分是由于 3D 打印用于机械测试的高质量复合材料标本所面临的挑战。

因此，需要实现具有定制纤维路径和低孔隙率的 3D 打印复合材料的制造，以便全面了解纤维放置方法对机械响应的影响。莫纳什大学材料科学与工程系Christopher Hutchinson教授等人将3D 打印与用于制造样品的低成本后处理处理相结合。首先，通过 FFF 技术 3D 打印连续碳纤维增强热塑性塑料的复合预制件。然后进行后处理（使用真空袋进行烘箱固化），其中将热固性环氧树脂粉末撒在预制件上以填充间隙。进行了开孔复合材料的案例研究，并研究了孔周围的三种定制纤维放置方法，其中连续碳纤维沿着由纯聚合物材料的有限元分析（FEA）产生的主应力轨迹放置。然后将它们与钻孔样品以及从 Markforged® 商用打印机打印的样品进行比较。提出了一种混合制造技术，可以制造具有低孔隙率和定制连续碳纤维增强材料的 3D 打印双聚合物复合材料。相关研究成果以题“Effectiveness of fibre placement in 3D printed open-hole composites under uniaxial tension”发表在复材顶刊Composites Science and Technology上。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0266353822000112

本文介绍了纤维放置在 3D 打印开孔复合材料上的有效性的综合研究。展示了一种混合制造技术，可以制造具有定制纤维路径和低孔隙率的 3D 打印 CCFRP 复合材料。与 Markforged 打印系统相比，空隙含量，特别是在纤维-基质和层-层界面上，显著减少。在拉伸试验中，与传统的单向钻孔纤维放置相比，具有沿最大应力轨迹的纤维路径的样品的强度提高了 166%。在纤维用量略高的情况下，这种放置方法有效地将应力集中从孔的外围转移到其他区域，从而改变了裂纹的位置，延缓了裂纹的萌生。然而，样品中仍然发生基体剪切破坏和纤维分裂，并且孔在破坏前经历了很大的变形。沿最小主应力轨迹引入额外的纤维增强了横向于加载方向的结构，并将孔的失效前变形率从 11% 降低到 1%。在纤维和基体区域都发现了均匀的应力分布，因此可以防止打印路径之间的基体丰富区域发生剪切破坏。

图 1。(a) 连续 CF 灯丝的 3D 打印，和 (b) 打印的开孔复合材料预制件。

图 2。(a) 铝模具，和 (b) 带有喷涂粉末环氧树脂的开孔预制件。

图 3。纤维放置方法：(a) 钻孔，(b) 案例 1，(c) 案例 1 – 完成，(d) 案例 2，(e) 案例 3 和 (f) Markforged 样品。

图 4。具有数字图像相关性的 MTS 测试系统

在孔周围放置另一组额外的纤维后，打印的复合材料在纤维使用量的小幅增量下表现最佳，拉伸性能进一步提高。关于这些额外纤维的研究表明，通过在具有多层的复合材料层压板的每一层中调整弯曲纤维的放置，定制性能的潜在设计。

图 5。成品样品的表面图像（用于 DIC 测量的白点）。

图 6。横截面的 SEM：(a) 混合制造样品，和 (b) Markforged® 印刷样品。

图 7。样品的载荷-位移曲线和裂纹扩展：(a) 钻孔和 Markforged，(b) 弯曲纤维案例 1，和 (c) 案例 2 和 3。

图 8。(a) 单轴拉伸下开孔复合材料的强度和 (b) 刚度。

图 13。案例 2 中的应变和应力（单位：MPa）分布。

但是，在实际工程应用中，应同时考虑并平衡打印复合材料的机械性能、结构完整性和裂纹扩展。本文提出的有限元模型和机制可以被视为进一步复杂设计多层 3D 打印 CCFRP 复合材料的起点。值得一提的是，本文的有限元模型是基于弹性分析的。复合材料的失效标准和本构模型需要在未来的有限元模型中进行评估和实施，以实现对这种印刷弯曲 CCFRP 复合材料的失效预测。此外，在打印过程中发生了纤维的重叠，因此还需要考虑制造限制以告知纤维放置。