一、引言
随着航空航天、能源传输等高端领域对材料性能及服役稳定性的要求日益严苛,连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印技术凭借其轻量化、复杂结构制造及功能集成等优势,受到了业界的广泛关注。此技术能够制造出具有高纤维体积分数、复杂几何形状及功能一体化的复合材料部件,为材料设计、结构优化及功能实现开辟了新路径。然而,当前技术面临高性能丝材加工难度大、打印缺陷难以根除、过程控制复杂等问题,限制了其在高端领域的应用。因此,开发新型打印工艺、材料体系及缺陷控制技术,以提升材料性能和可靠性,成为推动该技术在高端领域应用的关键。近日,《Composites Part B》期刊刊发了由北京航空航天大学、西安交通大学等国内外多家科研机构联合完成的研究成果,该成果聚焦于高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印过程中的缺陷及其消除方法,为高性能3D打印技术的发展提供了重要理论支撑。研究题目为“Three-dimensional printing of high-performance continuous fiber-reinforced thermoplastic composites: Causes and elimination of process-induced defects”。
工艺:预浸料长丝直接打印技术
材料:高性能丝材的应用
极端应用下的性能挑战
主要问题:工艺缺陷
由于高纤维体积分数限制了聚合物的流动性,3D打印过程中易产生聚合物和纤维缺陷,如孔隙、纤维损伤及纤维分布偏差等,这些缺陷会严重影响复合材料的力学性能、界面性能及层间性能。
图1展示了预浸料丝束的制备过程及基于FFF技术的高性能cFRPCs预浸料丝束直接打印
图2揭示了cFRPCs打印过程中产生的工艺诱导缺陷
打印过程引起的孔隙
孔隙的影响及消除方法
孔隙缺陷会降低复合材料的层间性能、拉伸强度及压缩强度等。为消除孔隙缺陷,可采用原位强化、后处理等方法,如张力、压实、真空辅助、额外能量辅助(超声波、等离子体等)及热压等。
四、纤维相关缺陷:纤维损伤
纤维损伤的原因及影响
纤维损伤的消除方法
五、纤维相关缺陷:纤维分布偏差
纤维分布偏差的原因及影响
纤维分布偏差的消除方法
六、特定区域缺陷:转向区域
转向区域缺陷的原因及影响
转向区域缺陷的消除方法
通过优化喷嘴对纤维产生的张力、增加打印平台的自由度及采用多自由度打印策略等方法,可消除或最小化转向打印过程中产生的缺陷。
图4展示了纤维弯曲缺陷的研究结果
七、特定区域缺陷:表面缺陷
由于3D打印材料在喷嘴处加热软化后快速冷却,难以实现聚合物之间的完美融合,导致打印件表面出现堆积缺陷、划痕、冗余缺陷等表面缺陷。这些缺陷会影响打印件的质量及性能。
图5展示了3D打印过程中的表面缺陷
图6展示了消除表面缺陷的方法,如双喷嘴打印、表面依赖性和优化及压缩辅助打印等
八、总结与展望
工艺引起的缺陷挑战
未来研究方向
九、小结
本文分析了高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印过程中产生的缺陷,并提出了相应的消除方法。这些研究为提高打印质量和材料性能提供了理论指导和实践参考,有助于推动该技术在高端领域的应用。
参考文献:Zhu, W., Fu, L., Tian, X., Zhi, Q., Hou, Z., Zhang, Z., ... & Li, D. (2024). Three-dimensional printing of high-performance continuous fiber-reinforced thermoplastic composites: Causes and elimination of process-induced defects. Composites Part B: Engineering, 292, 112080.