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一、導(dǎo)讀

增材制造技術(shù)為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件提供了一種快速、高效、靈活的制造解決方案，近年來(lái)受到了相當(dāng)大的關(guān)注并不斷發(fā)展。然而，傳統(tǒng)平面逐層堆積成形連續(xù)纖維3D打印技術(shù)存在一些常見(jiàn)問(wèn)題，如臺(tái)階效應(yīng)表造成的表面精度差和彎曲特征粘附性差導(dǎo)致的機(jī)械性能弱，而連續(xù)纖維的非平面制造方法有望解決這一問(wèn)題，進(jìn)一步發(fā)揮連續(xù)纖維材料的優(yōu)勢(shì)。

近日，國(guó)際著名期刊《Journal of Materials Research and Technology》發(fā)表了山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院、山東大學(xué)高效清潔機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和山東大學(xué)增材制造研究中心在基于三軸打印機(jī)開(kāi)展的連續(xù)纖維復(fù)合材料的非平面增材制造方面的研究。文章開(kāi)發(fā)了一種可調(diào)纖維打印頭的三軸打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)浸連續(xù)纖維的非平面切片（NPS）增材制造。研究深入探討了沉積傾斜角度對(duì)打印樣品表面粗糙度的影響，從而實(shí)現(xiàn)使用連續(xù)碳纖維（CF）、玻璃纖維（GF）和混合纖維復(fù)合材料的NPS樣品的設(shè)計(jì)與打印。該研究還評(píng)估了打印部件的彎曲失效形態(tài)，并通過(guò)制造雙正弦曲面結(jié)構(gòu)和球面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了NPS方法的有效性。論文標(biāo)題為“Non-planar additive manufacturing of pre-impregnated continuous fiber reinforced composites using a three-axis printer”。

二、內(nèi)容簡(jiǎn)介

研究者通過(guò)改進(jìn)纖維打印頭并且評(píng)估了其可成形傾斜角度范圍，可以實(shí)現(xiàn)在無(wú)幾何干涉的情況下以15°的傾斜角度進(jìn)行打印，并保證良好的表面形態(tài)。采用非平面切片方法制備了由連續(xù)碳纖維、玻璃纖維和混雜纖維復(fù)合材料制成的彎曲試樣，并對(duì)其表面形態(tài)和彎曲性能進(jìn)行了研究。  

圖1.(a) 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的雙打印頭，(b) 兩種打印模式的示意圖，(b1) 平面打印模式，(b2) 非平面打印模式

圖2.不同傾斜角度面打印的樣品的表面形態(tài)

為了評(píng)估非平面切片方法在提高零件性能和表面質(zhì)量方面的有效性，研究者設(shè)計(jì)了一個(gè)弧形零件用于彎曲試驗(yàn)和表面形態(tài)觀察。與使用傳統(tǒng)平面切片方法打印的樣品相比，使用非平面切片方法打印的連續(xù)碳纖維和玻璃纖維曲面樣品具有更好的彎曲性能和表面精度。與PS-CF樣品相比，NPS-CF樣品的最大彎曲力增加了170%，表面粗糙度降低了63%。此外，NPS(CF-GF)和NPS(GF-CF)樣品的最大彎曲力產(chǎn)生了積極的混合效應(yīng)。NPS(CF-GF)樣品的最大彎曲力與NPS-CF樣品相當(dāng)，而NPS(GF-CF)樣品的最大彎曲力甚至超過(guò)了NPS-CF樣品34%。

圖3. (a)曲面彎曲試樣的幾何尺寸圖，(b) 打印的非平面切片彎曲試樣和(b)平面切片彎曲試樣，(d) 彎曲試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖，(e) 力-位移曲線和(f) 彎曲試樣的彎曲力結(jié)果

此外，為了驗(yàn)證該方法在復(fù)雜表面和多孔結(jié)構(gòu)成形中的可行性，研究者設(shè)計(jì)了兩個(gè)典型部件并制造了非平面增材制造：雙正弦彎曲結(jié)構(gòu)和彎曲網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這些打印案例突顯了NPS方法在形狀成型能力方面相較于傳統(tǒng)PS方法的優(yōu)勢(shì)，尤其是在復(fù)雜曲面和曲面多孔結(jié)構(gòu)的制造上，研究結(jié)果證實(shí)了所提方法在制造連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料方面的一定適用性。

圖 4. 雙正弦曲面結(jié)構(gòu)的纖維布局和打印流程

圖5. 曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的打印流程

三、小結(jié)

該研究基于三軸打印機(jī)成功對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行非平面增材制造，與平面增材制造相比，非平面增材制造在連續(xù)纖維復(fù)合材料打印件的表面精度、力學(xué)性能及復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)研究提升了3D打印連續(xù)纖維復(fù)合材料的制造水平，拓寬了普通三軸打印機(jī)的制造能力，同時(shí)也為基于多軸打印機(jī)的連續(xù)纖維復(fù)合材料非平面增材制造提供了一定的參考。

原始文獻(xiàn)：

Shouling Ding, Bin Zou, Qingyang Liu, Xinfeng Wang, Jikai Liu, Lei Li, Non-planar additive manufacturing of pre-impregnated continuous fiber reinforced composites using a three-axis printer,Journal of Materials Research and Technology, 2024, https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.09.032.

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.09.032