使用增材制造技术生产的多孔复合材料结构中连续碳纤维含量的研究

增材制造（AM）是一种逐层制造3D部件直至最终产品完成的工艺。该技术主要用于航空、汽车、医疗植入物和纺织等领域的工程应用。如今，由于生产过程简单、成品精度高、材料浪费少、选材范围广和经济因素，大多数复合材料零件都采用AM技术制造。在复合材料生产过程中，增强材料的含量在定义复合材料结构的强度、刚度和其他性能方面起着重要作用。本研究中，使用熔融沉积建模（FDM）制造了多孔连续碳纤维增强聚合物复合材料（CCFRPC）结构。多孔CCFRPC结构通过两种类型的填充模式（网格和三角形）以三种不同的填充密度水平（20%、40%和60%）进行增材制造。制造过程完成后，使用溶解法计算和估算复合材料中连续碳纤维（CCF）的含量。为了确定多孔结构中的碳纤维含量，采用了溶解ASTM D 3171标准程序。结果显示，与网格填充模式相比，三角形填充模式含有更多的增强材料（CCF）。此外，当试样的填充密度增加时，结构中的增强材料含量也更高。

1.简介

增材制造（AM）是一种快速增长的非传统制造技术，广泛应用于各种工程应用中，并被用于汽车、生物医学、纺织、建筑、航空航天和电子等领域。根据ISO/ASTM 5200（2017）（增材制造——通用原则术语），熔融沉积建模（FDM）被分类为基于材料挤压的过程之一。

它最常用于使用热塑性材料、含有短纤维的复合材料以及连续碳纤维（CCF）来生产3D物品。连续碳纤维（CCF）增强聚合物复合材料（CCFRPCs）在工程应用中具有重要的意义，因为它们轻质且强度高和刚度高。

增强材料无论是连续的还是不连续的，其含量在制造复合材料和定义其机械和材料性能方面都扮演着重要角色。结果表明，在达到特定的增强材料含量时，热塑性材料中的碳纤维含量显示出高水平的强度，之后强度水平会下降。通过结合多孔结构，可以制造出轻量化的复合材料部件，从而减少密度、质量、材料利用率、材料浪费和打印时间。大多数多孔结构是使用纯热塑性材料制造的，并用于像支架组织生成这种生物医学应用。填充模式和密度对多孔结构的生产和增强材料含量有重大影响。

许多研究人员已经利用FDM技术制造了CCFRPC结构，并研究了它们的机械性能。例如，含有6.6%增强材料的CCFRPC显示出185.2 MPa的拉伸强度。其他结果显示，含有18.2% CCF含量的CCFRPC强度水平更好，达到245.4 MPa。但是，所有上述复合部件都是用含有碳纤维的单向层状的，以实心和完全致密的结构制造的，而且此前并没有对于多孔CCFRPC结构的研究。通过印样品的层数和线条数及其横截面积可以得出样品的工具路径的长度，以此可以估算出大概的具有实心结构的单向复合材料中的CCF增强材料含量。但是，考虑到多孔结构时，在复合材料部件中的CCF含量难以估算，因为壳体内大部分结构采用不同的填充模式打印，并且存在空隙，不像单向样品那样紧密。因此，需要一种替代的方法或技术来估算多孔结构中的增强材料含量。

在本研究中，使用FDM技术制造了多孔CCFRPC结构。采用两种填充模式（即网格和三角形填充模式）在三个不同填充密度级别（20%、40% 和 60%）下制造了多孔CCFRPC试验样品。并在制造过程后对复合材料试样进行了观察和分析。随后，为了估算试样中的CCF含量，根据ASTM D 3171标准程序使用了溶解法以确定碳纤维含量。

2.1材料

在这项研究中，作为基质材料，使用了商业上可获得的，直径为1.75毫米的PolyLite PLA热塑性塑料（聚合物制造商）打印丝材。对于增强材料，则使用了每束包含3000根纤维的CCF纱线T300B-3000（法国东丽公司）。在制造和打印复合材料样品之前，标准的CCF纱线被浸泡在10wt%的PLA和二氯甲烷（CH2Cl2）溶液中，以获得更好的粘附性、机械性能、打印质量和打印过程的稳定性。

2.2CCFRPC样品的制造和打印过程

在样品设计中，首先制作了CAD模型几何结构。然后，将其作为STL文件导入到Simplify 3D打印软件中，以便进一步打印复合材料样品。基于简单且易于安装的优点，选择MeCreator 2（Geeetech）FDM 3D打印机来制造多孔复合材料样品。对FDM 3D打印机的挤出头进行了改装，以便使用CCF进行打印。实验设计了两个进料通道，一个是用于基质材料的，也是热塑性丝材进料通道，另一个是用于增强材料的，也是浸渍CCF纱线插入通道，还有一个出料喷嘴。基质材料的丝材在打印头内熔化，并与CCF纱线融合在一起形成粘结，并从打印喷嘴挤出形成CCFRPC。

在实验中，考虑了两种不同的填充模式，即网格和三角形，在三种不同的填充密度（20%、40%和60%）水平下进行打印。用网格和三角形填充模式的多孔复合材料部件，采用被样品填充模式覆盖的一个外周壳体和两层顶部及底部单向0°层所制造的。对于网格填充模式，选择了45°–45°的内部填充角度偏移。而在三角形填充模式的情况下，填充以60°–60°的角度偏移进行打印。其他打印参数见表1。挤出宽度和层高度是直接影响复合材料结构机械参数的参数，此外这些参数也影响碳纤维含量。

2.3复合材料样品的溶解过程

为了估计和计算多孔CCFRPC部件的碳纤维含量，遵循了ASTM D 3171“复合材料成分含量的标准测试方法”程序。采用方法I来计算增强材料的含量，即通过在溶液中对复合材料试样的基体进行物理溶解，留下基本上未受影响的增强材料，以计算基体或纤维含量。根据标准，每组测试三个样品以确定复合部件中增强材料的含量。图1展示了碳纤维含量测量的程序。

在制造尺寸为120 × 12 × 3 mm的复合试样后，将试样放入烧杯中并用二氯甲烷溶液覆盖，使样品完全浸没在液体中。每48小时更换一次溶液，直到热塑性基体完全溶解，然后检查并使用蒸馏水冲洗，接着放入真空烘箱中直至增强纤维完全干燥。最后，称量未受影响的增强材料，并使用以下公式计算增强材料的含量：

Wr = 增强材料的重量百分比， Mi = 试样的初始质量（克）， Mf = 消化或燃烧后试样的最终质量（克）。

3.结果和讨论

3.1对打印的多孔复合材料样品的观察

通过显微镜检查了CCFRPC多孔结构的内部模式，如图2所示。从观察结果来看，三角形填充样本在水平同向有三个节点连通，而网格填充结构样本在水平异向有四个节点连通。与三角形填充模式相比，网格填充结构在每个填充密度等级上都显示出更紧凑和密集的结构，因为它在周边壳内占据了更多的空间，因此消耗了更多的质量。填充模式在定义增强材料含量和机械性能方面起着重要作用。

用网格模式CCFRPC结构填充的显微照片，分别用a)20%,b)40%,c)60%的填充密度水平打印的一个外壳周长。CCFRPC 表示连续碳纤维增强聚合物复合材料。

打印时间对填充模式和密度水平有影响（图3）。与网格填充模式相比，三角形填充模式在打印复合材料部件时消耗的时间更多。当比较打印时间时，使用40%和60%填充密度的网格模式与使用20%和40%填充密度的三角形模式所花费的时间相同。这样的打印时间的差异是由于填充结构增加了内部的壳体周长。结构的复杂性也影响了打印的时间。

3.2碳纤维在复合材料结构中的含量

在复合材料结构制造中，使用两种填充模式（网格和三角形），在三种不同的填充密度（20%、40% 和 60%）下进行打印的增强材料含量，时通过溶解法进行估算的。实验结果表明，与网格填充模式相比，三角形填充模式在每种填充密度水平下都消耗了最多的增强材料含量。

从图4所示的实验结果中可以看出，随着填充密度水平的增加，两种填充模式的增强材料含量都略有增加。60%填充密度水平的三角形填充模式显示出最高的纤维含量为31.11（wt%）。在三角形填充模式下，当填充密度水平从20%上升到40%时，增强材料含量增加了3%，而当填充密度水平从40%上升到60%时，增强材料含量增加了1%。

同样地，在网格填充模式下，60%的填充水平显示出最高的增强材料含量为27.75（wt%）。当填充密度水平从20%增加到40%时，碳纤维含量增加了1.1%，而当填充密度水平从40%增加到60%时，碳纤维含量增加了1.7%。通过比较这两种类型的填充模式，三角形填充模式显示出更多的碳纤维含量，即使其最低的密度水平也比网格填充模式的最高密度水平显示出更多的增强材料含量。这种增强材料含量的差异是由于复合材料部件内部创建路径的结构差异造成的。不同的填充模式也会影响机械性能。层分布和方向、打印工艺参数、填充模式以及壳体参数都会影响复合材料部件的机械性能和碳纤维含量。

4.结论

填充模式和结构会影响复合材料部件的增强材料含量和打印速度。对于各种填充密度来说，三角形填充模式相比网格填充模式显示出更多的碳含量，尽管其复合材料结构量较低。同理，在制造样品时，使用三角形填充模式打印时间更长。

这种对两种属性的影响是由复合材料部件内部复杂的填充结构模式造成的。尽管不同填充密度的增强材料含量没有显著差异，但在比较两种填充模式时却显示出了含量上的差异。