增材制造顶刊：增材制造新型非连续碳纤维增强热塑性复合材料！

来源：材料科学网

导读：本研究提出了一种新的方法，即角度进料挤压（AFE），用于材料挤压增材制造（MEX AM）不连续再生碳纤维（rCF）增强热塑性复合材料，具有高纤维效率。AFE系统还集成了一个五轴打印机，以实现复杂结构的制造。利用x射线计算机微断层扫描（μCT）对纤维形态和结构进行表征，并通过力学测试研究了afe制备的rCF复合材料的力学性能。结果表明，AFE有效地降低了高纤维效率的rCF复合材料的制造难度，纤维效率包括纤维分数、长度和取向等因素。此外，通过AFE系统增材制造的rCF复合材料的rCF长度可达3.8 mm，纤维体积分数为30.3%。拉伸强度和模量分别为178 MPa和9.9 GPa。与短纤维增强复合材料相比，其抗拉强度和模量分别提高了90%和254%。类似地，afe制造的复合材料环的压缩试验表明，极限压缩载荷增加了80%。

材料挤出增材制造 （MEX AM） 是一种经济高效的技术，涉及使用 3D 打印机制造使用细丝的组件和结构。MEX AM 可以完成复杂形状的制造并消除模具的限制，从而节省成本和时间 ，使其在制造碳纤维增强热塑性复合材料方面具有吸引力。Tekinalp等人评估了不同体积分数对打印复合材料的影响]，而Su等提出，较高的体积分数可以有效增强打印复合材料的机械性能。此外，据观察，长丝制造和印刷过程都会导致纤维长度退化。据报道，纤维取向受打印光栅宽度的影响，它会影响打印复合材料的机械性能 。纤维长度也被认为是提高复合材料机械性能的重要因素。据报道，纤维分数、取向和长度统称为纤维效率 ，对3D 打印复合材料的机械性能有重大影响。实验研究表明，体积分数超过 30% 的打印复合材料通常会出现机械性能下降 ，孔隙率的增加被认为是随着纤维体积分数的增加而机械性能下降的主要原因 。因此，具有较长纤维的复合材料的增材制造具有巨大的潜力。

在本研究中，开发了一种耦合计算流体动力学-离散元方法 （CFD-FEM） 模型来模拟 rCF 复合材料的流动行为，从而产生了专为 rCF 热塑性复合材料量身定制的创新角进料挤出 （AFE） 系统。新开发的 AFE 系统代表了一项技术进步，能够打印长达 3.8 mm 的纤维。初步结果表明，使用 AFE 系统打印的 rCF 增强聚酰胺-6 （rCF/PA6） 复合材料表现出 10 GPa 的优异拉伸模量。此外，通过全面的机械测试和材料微观结构的详细表征，验证了 AFE 纤维效率对 rCF/PA6 复合材料的影响，进一步证明了 AFE 系统的潜力。

有关此课题由来自英国爱丁堡大学材料与工艺研究所联合东北大学冶金学院和中山大学先进制造学院的江吴，郭鹏玥，张浩，田麦，张嘉，李奥楠，吕亚辉，张浩琪，杨东敏等学者进行了深度研究，相关研究成果以“Material extrusion additive manufacturing of recycled discontinuous carbon fibre reinforced thermoplastic composites with high fibre efficiency”发表在 Additive Manufacturing上

链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 2400633X?via%3Dihub

图 1 CFD-DEM结果，说明纤维在这个流场中从0到0.021s的演变

由于在打印过程中物理观察纤维和边界壁之间的相互作用极具挑战性，因此人们高度期待数值模拟来重现打印过程中复杂的多相流过程 。在团队之前的工作中，已经建立了一个 CFD-DEM 模型，并成功地用于研究喷嘴中纤维和壁之间的相互作用 。CFD-DEM 的优势在于它能够监测每根纤维，并定量考虑流体的变形和影响。

图 1a 和 b 突出显示了两个不同喷嘴在 0.021 s 时的纤维状态。仿真视频包含在附录视频中。从图中可以清楚地观察到，使用 45° 喷嘴打印的光栅使纤维保持了更好的对齐和分布，纤维方向保持良好，没有明显的纤维断裂。相比之下，使用 90° 喷嘴打印的光栅表现出更差和无序的纤维状态，具有明显的纤维定向障碍和较大的纤维变形，表明可能存在纤维断裂。纤维断裂可以通过作用在纤维上的力及其变形来反映，因为这些力是挤出过程中纤维断裂的罪魁祸首 。图 1c 显示了纤维在流动过程中承受的平均力，揭示了 90° 喷嘴中的纤维比 45° 喷嘴中的纤维承受的力大得多，在 0.012 秒处观察到特别大的力（90° 喷嘴的状态 I，45° 喷嘴的状态 II），其中喷嘴和床垂直接触。因此，图 1d 表明，90° 喷嘴中的纤维变形程度明显大于 45° 喷嘴中的纤维变形程度，一旦纤维从 90° 喷嘴中完全挤出，则观察到变形显著减少。这清楚地表明，喷嘴和床之间的垂直角阻碍了纤维的顺畅流动。此外，图 1e 显示了流动过程中的纤维取向。在 0.021 秒时，当纤维完全从喷嘴中挤出时，纤维取向axx 在 45° 喷嘴达到 0.95 时，而axx在 90° 喷嘴中仅为 0.77。当方向接近值 1 时，它表示纤维完全对齐。仿真结果表明，通过改变喷嘴与床之间的角度，可以有效缓解甚至消除打印 rCF/PA6 复合材料的堵塞问题。

图 2

根据 CFD-DEM 仿真结果，图2 对 45° 喷嘴的设计进行了详细说明和说明。喷嘴出口设计为近似矩形，经过 2 mm × 1 mm 尺寸的微铣削，以挤出长度超过 1 mm 的纤维（图 2b）。出口的面积相当于直径为 1.5 mm 的圆形出口的面积。此修改旨在控制打印光栅的宽度，并更好地沉积和粘附到打印机床上。喷嘴出口处的非锥形截面被保留，因为它被认为对于保持纤维取向至关重要。对于基于 AFE 的 3 轴打印，整个热端以 45° 角倾斜，并使用 3D 打印夹具牢固地固定在 Prusa i3 MK3s 打印机上，如图 2a 所示。通过将耗材进料的角度调整到相对于打印床的 45°，灯丝方向倾斜，同时与打印床保持 45° 角。由于打印机喷嘴的标题角为 45°，当使用传统的 3 轴打印机打印弯曲路径而没有打印床旋转时，将发生下图 2c 中描述的打印失败。这是因为，如图 2c 中的位置 2 和 3 所示，挤出物的流动与打印的光栅相反。这可能会导致喷嘴堵塞和更多的纤维断裂，如 CFD-DEM 仿真中所示。因此，有必要使用 5 轴打印机来解决这个问题，确保挤出物始终流向打印的光栅，如图 2f 所示。因此，基于 Open5x ，开发了一种基于 AFE 的 5 轴打印机，如图 2d 所示。在这个系统中，除了 XYZ 轴外，还增加了两个额外的 U 轴和 V 轴，以床身为中心，允许床身在两个方向上旋转，如图 2d 和 e 所示。使用 AFE 喷嘴时，只需将床旋转到所需的角度（图 2e），简化了 AFE 系统，使其能够用于打印更复杂的路径和几何形状。

图 3该研究利用两种不同的回收方法来生产 rCF/PA6 原料，第一种方法涉及处理已经去除基质的 rCF 垫第二种方法涉及回收3D打印的CCF复合材料样品，以制造具有高纤维效率的rCF/PA6颗粒。

图 4所有 rCF 复合材料的纤维长度如图 4a 所示，长度分布如图 4b、c、d、e、f 和 g

图 5图 5.rCF/PA6复合材料的取向：（a） 所有打印试样的打印方向的纤维取向参考：（I.） rCF-L [19]、（II.） rCF-M 和 （III.） rCF-H 的纵向横截面。（b） rCF-M 复合材料和 （c） rCF-H 复合材料的纤维取向分布;（d） rCF-H 光栅中的纤维取向图。

图 6rCF-H 复合材料的 XCT 成像：（a）rCF-H 细丝的形态;（b） rCF-H 试样的形态（c） rCF-H 复合材料的空隙细节。

在图 6 中，可以观察到，打印后，在打印光栅中消除细丝中观察到的大空隙，导致孔隙率降低。但高保真 XCT 的视图尺寸相对较小，打印的试样中的空白主要是由于增材制造技术的缺陷。因此，有必要使用具有较大视图尺寸的低分辨率 XCT 来观察整个打印试样中的空隙情况。因此，图 7b 显示了所有试样的孔隙率，可以看出，与 rCF-L 相比，rCF-M 和 rCF-H 表现出更高的孔隙率，达到约 9 %。这归因于 rCF-L 中挤出物的粘度较低，有助于在打印过程中更容易填充光栅之间的间隙。图 7a 显示了细丝中的空隙，其中细长的空隙很可能是在挤出过程中未被浆膜完全浸渍的纤维周围形成的。图 7c 所示的较小空隙区域如前所述，是由于纤维断裂后的桥接效应而形成的。尽管打印后孔隙率明显降低，但由打印光栅组成的试样的孔隙率增加，这主要是由于光栅和图层之间的间隙，如图 7d 所示。这表明 AM 过程中生成的栅格之间的差距是需要解决的主要问题。此外，在打印光栅中也可以观察到小尺寸的孔隙（图 7c）。由原始打印机打印的 rCF-M 复合材料的孔隙率突出显示，达到 15.5%，明显高于图 7b 中 AFE 制造的 rCF-H 的 9%。在使用原始打印机打印过程中，喷嘴堵塞会导致聚合物的挤出不均匀和不稳定，从而导致孔隙率增加。这说明了 AFE 有效提高了 rCF 复合材料的打印质量。

图 7图 7.rCF 试样的空隙含量：（a） rCF-H 细丝中的空隙，（b） 所有打印试样的孔隙率，（c） 打印的 rCF-H 光栅中的空隙和 （d） 打印的 rCF-H 试样中的空隙。

图 8a 和 b 显示了所有打印的 rCF/PA6 复合材料的拉伸性能

图片图 9.断裂表面的 SEM 图像：（a） rCF-L 试样，（b） rCF-M 试样和 （c） rCF-H 试样。两种复合材料之间的分形形态学没有显着差异，都表现出明显的纤维拉出现象。rCF-H 具有相同的现象，它主要集中在纤维末端的拉出，而不是整个长纤维，如 rCF-H 的 SEM 图像所示

图 10印刷的 rCF/PA6 环：（a） rCF-L、（b） rCF-M、（c） rCF-H 的 rCF 复合环的表面形貌。以及所有 rCF/PA6 环的压缩测试：（d） 所有样品的极限压缩载荷;（e） rCF 复合环压缩试验的代表性应力-应变曲线。

图 10d 显示了所有复合环在压缩测试下的机械性能。与 rCF-M 和 rCF-L 相比，rCF-H 复合环在失效时表现出明显更高的极限载荷，为 450 N，比 rCF-L 环增加了 80%。此外，图 10e 还表明，rCF-H 具有最高的刚度，因为它的纤维效率最高 0.226，尽管随着刚度的增加，失效应变会降低。当受到压缩载荷时，复合环的内圆周受到压缩，外圆周受到拉伸。因此，该试验能较好地反映复合材料的综合力学性能。这表明纤维效率的提高可以有效提高基于 AFE 的 5 轴打印系统打印的复合材料的综合机械性能。

图 11 rCF/PA6 复合材料的演示：（a） 弯曲的桁架和 （b） 薄壁截锥中为了证实 AFE 打印系统的多功能性，制造了一个弯曲的多孔桁架，如图 11a 所示

在本研究中，概念化、实施和演示了一种称为角进料挤出 （AFE） 的新技术，以增材制造具有高纤维效率的 rCF/PA6 复合材料。分析了纤维效率对 3D 打印非连续 rCF 复合材料机械性能的影响。得出以下结论：

(1)AFE 能够成功制造具有高纤维效率的 rCF/PA6 复合材料，其中最大纤维长度可达 3.8 毫米，同时保持 30.3% 的体积分数。

(2)纤维方向受纤维长度、纤维含量和栅格宽度的影响。因此，在增材制造过程中，在控制喷嘴尺寸和光栅宽度的同时保持纤维长度可以有效提高纤维效率。

(3)纤维效率显著影响增材制造的 rCF/PA6 复合材料的机械性能。具有高纤维效率的 rCF/PA6 复合材料表现出显著增强的机械性能。与纤维效率最低的 rCF/PA6 复合材料相比，拉伸强度和模量分别提高了 90% 和 254%。然而，增材制造的长纤维（例如，长度为 3.8 mm）的 rCF/PA6 复合材料在失效时容易分层。

(4)将 AFE 系统集成到 5 轴打印机上，为 rCF/PA6 复合材料提供了更大的制造灵活性，从而能够打印具有 3D 复杂几何形状和定制纤维布局的复合结构。