供稿人：劉哲、高琳 供稿單位：西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室 發(fā)布日期：2025-04-06
傳統(tǒng)材料擠出增材制造在制造高纖維效率的復合材料時面臨諸多挑戰(zhàn)，如纖維長度增加會導致噴嘴堵塞和打印質量下降，纖維取向難以控制等。英國愛丁堡大學工程學院材料與工藝研究所研究了一種斜角進料擠出系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以改善纖維的流動與分布，獲得較高纖維體積分數的打印件，從而提升打印件的機械性能，且具有極高的打印精度。
該團隊設計的斜角進料擠出（AFE）系統(tǒng)技術原理是將打印機噴嘴傾斜45°，這一設計改變了纖維在擠出過程中的流動行為，減少了纖維與邊界壁的相互作用，降低了阻力，從而有效緩解甚至消除了打印過程中的堵塞問題，并且有助于保持纖維的取向和分布。CFD-DEM模擬結果顯示，45°噴嘴打印的纖維保持著更好的排列和分布，纖維取向良好，纖維所受平均力較小，變形程度也明顯低于傳統(tǒng)90°噴嘴。
圖1 3軸打印機上的AFE與5軸打印機上的AFE
AFE系統(tǒng)制造的碳纖維復合材料實現了高達3.8mm的纖維長度和30.3%的纖維體積分數，這為研究纖維效率與復合材料性能之間的關系提供了理想的模型，有助于深入理解復合材料的微觀結構與宏觀性能之間的聯系。AFE 系統(tǒng)制造的復合材料拉伸強度和模量大幅提高，拉伸強度達到178MPa，模量為9.9GPa，與短纖維增強復合材料相比有顯著提升，這為高性能復合材料結構件的制造提供了新的方法和途徑。
圖2 rCF-H 復合材料的 X 射線計算機斷層掃描成像
圖3打印試樣的拉伸性能：(a)打印試樣的拉伸強度和拉伸模量；(b)打印試樣的代表性應力-應變曲線
本文展示了一種斜角進料擠出（AFE）系統(tǒng)，大幅提高纖維長度，保證了纖維取向的規(guī)整，提高了打印質量與精度，且打印產品的力學性能也得到了較大提升。高纖維體積分數復合材料的成功打印為制造高纖維效率復合材料提供了可行的解決方案。