供稿人：康友偉、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2022-01-16
連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂（CFRTP）的3D打印技術(shù)具有突出的靈活性、低能耗和低成本等特點(diǎn)，可在航空航天工業(yè)中得到應(yīng)用。熔融沉積成形工藝（FDM）是最常見的CFRTP 3D打印方法之一，該成形過程有許多影響產(chǎn)品質(zhì)量與性能的參數(shù)，為了明確成形工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品性能的影響規(guī)律，找到改善打印工藝的辦法，過往的研究有關(guān)于溫度、壓力、打印速度、噴嘴結(jié)構(gòu)、打印路徑、材料改性等與樣件力學(xué)性能的關(guān)系。而李會(huì)民副教授等人研究了真空中打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料（CFRPC）的機(jī)械性能，研究團(tuán)隊(duì)利用自行開發(fā)的連續(xù)碳纖維預(yù)浸絲打印了樣件，比較了在大氣和真空中打印的CFRPC的機(jī)械性能，分析了工藝參數(shù)與真空打印樣件的力學(xué)性能之間的關(guān)系。
真空3D打印CFRPC的設(shè)備由真空室、送絲機(jī)構(gòu)、噴嘴、控制系統(tǒng)等組成。真空室與真空泵相連，在真空打印過程中保持-0.099MPa的真空度，送絲機(jī)構(gòu)固定在打印頭上，確保耗材穩(wěn)定提供給噴嘴，為了防止纖維在噴嘴處斷裂和堵塞，噴嘴直接設(shè)計(jì)為1.2mm，噴嘴移動(dòng)速度與喂料速度一致。真空3D打印CFRPC的設(shè)備原理示意圖、設(shè)備實(shí)物照片和打印的復(fù)雜結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1 真空3D打印示意圖（a）和設(shè)備（b）及其打印的復(fù)雜結(jié)構(gòu)（c）
本研究中3D打印樣件的機(jī)械性能主要評(píng)估的是彎曲性能，研究人員通過掃描電子顯微鏡觀察了預(yù)浸絲和試樣斷裂橫截面的微觀結(jié)構(gòu)（見圖2），通過DSC測(cè)得預(yù)浸絲的熱性能，確定了打印溫度范圍，采用X射線顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描測(cè)試了樣件的孔隙率，并分析了打印環(huán)境是否為真空、打印溫度、打印速度、層厚對(duì)樣件彎曲性能的影響。
圖2 在大氣(a, b)和真空(c, d)中打印的試樣橫截面的微觀結(jié)構(gòu)
研究結(jié)果顯示，與大氣環(huán)境下打印試樣的性能相比，真空打印試樣的彎曲強(qiáng)度和模量分別提高了24.51%和8.35%，真空打印試樣的孔隙率為4.18%，低于大氣打印試樣的孔隙率。可以解釋為，在真空環(huán)境中，傳熱方式主要是通過復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)，負(fù)壓作用提高了復(fù)合材料的結(jié)合性能，降低了孔隙率。