近些年，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其具有諸如高比強(qiáng)度和高比剛度等優(yōu)(yōu)越的機(jī)械性能已經(jīng)(jīng)被越來(lái)(lái)越多地應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身和其他高端工業(yè)(yè)產(chǎn)(chǎn)品。對(duì)于具有復(fù)雜幾何形狀的復(fù)合材料零件，可以在FDM工藝中根據(jù)性能要求鋪設(shè)纖維。但在FDM打印過(guò)(guò)程中，噴嘴牽引纖維轉(zhuǎn)向過(guò)(guò)程中可能會(huì )(huì)出現(xiàn)一些缺陷，包括平面外起皺、起泡、牽引向上拉和剪切效應(yīng)。從而進(jìn)(jìn)一步影響制件的機(jī)械性能。

針對(duì)此問(wèn)(wèn)題，英國(guó)愛(ài)(ài)丁堡大學(xué)(xué)的Haoqi Zhang等人通過(guò)(guò)打印不同轉(zhuǎn)角和曲率的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單條紋，研究了1K連續(xù)碳纖維長(cháng)(zhǎng)絲在FDM打印過(guò)(guò)程中的纖維錯(cuò)位和斷裂的形成過(guò)(guò)程，并對(duì)缺陷的形成過(guò)(guò)程進(jìn)(jìn)行了分析。

不同轉(zhuǎn)向角的復(fù)合材料單條紋打印效果如圖1所示，當(dāng)轉(zhuǎn)向角為30°時(shí)(shí)，復(fù)合材料絲材被壓平，其中大多數(shù)連續(xù)纖維的實(shí)(shí)際轉(zhuǎn)向角一致。當(dāng)轉(zhuǎn)向角增加到60°時(shí)(shí)，纖維束開(kāi)(kāi)始折疊，其中一些連續(xù)的纖維在從外周翻轉(zhuǎn)到內(nèi)周。隨著(zhù)打印轉(zhuǎn)向角繼續(xù)增大到120°時(shí)(shí)，可以在打印絲的轉(zhuǎn)向點(diǎn)(diǎn)處看到明顯的折疊，且在轉(zhuǎn)角處長(cháng)(zhǎng)絲的平均寬度減小，產(chǎn)(chǎn)生了較大的無(wú)(wú)纖維區(qū)域。當(dāng)轉(zhuǎn)向角為150°和180°時(shí)(shí)，纖維嚴(yán)重扭曲和錯(cuò)位，并且觀(guān)察到有纖維斷裂。因此，在實(shí)(shí)際打印中，應(yīng)盡可能避免使用轉(zhuǎn)向角大于120°的打印路徑。

圖1 FDM工藝打印的不同轉(zhuǎn)角的碳纖維長(cháng)(zhǎng)絲(a) 30° (b) 60° (c) 90° (d) 120° (e) 150° (f) 180°

不同曲率半徑的復(fù)合材料單條紋打印效果如圖2所示，對(duì)于曲率半徑為20mm的單條紋，未觀(guān)察到明顯的表面缺陷，單條紋寬度沿打印方向大致一致。在直徑為10毫米的情況下，長(cháng)(zhǎng)絲內(nèi)周的纖維會(huì )(huì)扭曲和起皺。當(dāng)達(dá)到5mm時(shí)(shí)，這兩種缺陷出現(xiàn)的頻率更高。在曲率半徑為2.5mm的情況下，單條條紋很難按設(shè)計(jì)的路徑打印，觀(guān)察到內(nèi)外周完全轉(zhuǎn)變的纖維折疊現(xiàn)象。此外，在曲率半徑為5和2.5 mm的情況下，少量纖維斷裂。因此，在實(shí)(shí)際打印過(guò)(guò)程中，應(yīng)盡可能避免使用曲率半徑小于5mm的打印路徑。

圖2 FDM工藝打印的不同曲率半徑的碳纖維長(cháng)(zhǎng)絲

參考文獻(xiàn)：

H. Zhang, J. Chen, D. Yang, Fibre misalignment and breakage in 3D printing of continuous carbon fibre reinforced thermoplastic composites, Additive Manufacturing 38 (2021).

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