连续碳纤维复合材料3D打印的成型工艺研究

连续碳纤维复合材料3D打印的成型质量与成型性能受到三维成型过程中温度、速度、层高等多工艺条件及复合材料本身、打印喷头等多物理参数的影响,合理工艺参数的选择是高质量碳纤维三维成型的保证。针对碳纤维长纤复合材料连续性与各向异性的特点,研究了连续碳纤维3D打印的系统构成与工艺模型,分析了三维成型过程中不同工艺参数与成型结果间的影响关系,通过3D打印实验验证理论分析的正确性。研究为连续碳纤维复合材料3D打印合理工艺条件的选择提供了依据。     

基于超声调控浸润性的连续碳纤维复材3D打印研究

为解决3D打印连续碳纤维复合材料(continuous carbon fiber reinforced composites, C-CFRP)成型件内部空隙多、应力集中等缺陷,文章提出了基于熔融沉积技术的超声在线调控打印方法。探究了超声振幅在0μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm时,C-CFRP丝的拉伸性能,以及超声振幅在0μm、20μm时,C-CFRP件的拉伸、弯曲性能;并通过超景深显微镜观测了CCFRP丝的横截面形貌,以及采用扫描电镜观察了C-CFRP件断裂面的微观结构,最后对超声调控熔融树脂浸润纤维进行了机理分析。结果表明：C-CFRP丝的力学性能随着超声振幅的增加,先提高后降低,在20μm振幅作用下,失效载荷值最大,为121 N,比无超声状态下提高了16%;复材件在20μm振幅作用下,比无超声状态下拉伸性能提高了11%,弯曲性能提高了23%,为高性能C-CFRP 3D打印技术的发展提供了参考。     

连续碳纤维增强聚乳酸复合材料3D打印及回收再利用机理与性能

纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强的优异特性,但传统成型工艺具有成本高、过程复杂、难以回收的缺点限制了复合材料的广泛应用,介绍了一种新的连续纤维增强热塑性复合材料3D工艺(CFRTPCs)及其回收再利用策略,建立成型过程与界面性能、力学性能的内在联系,打印连续碳纤维增强聚乳酸(CF/PLA)样件抗弯强度与模量分别达到390MPa与30.8GPa,实现了复合材料低成本一体化快速制造,其回收再利用过程无污染,材料利用率为75%,二次打印样件抗弯强度提高25%左右,实现了复合材料高效高性能绿色回收再利用,二者结合形成一种全生命周期复合材料应用模式。     

连续纤维增强复合材料变刚度结构3D打印与性能研究

连续纤维增强复合材料变刚度结构可以通过调控纤维含量和方向分布以最大化利用纤维的性能优势。然而现有制造工艺难以实现纤维含量的精确调控,基于连续纤维增强复合材料3D打印工艺,建立了工艺参数与纤维含量的映射关系,通过动态调控打印过程中纤维与树脂的进给比例,实现了连续纤维增强复合材料变刚度结构的一体化无模快速制造。系统研究了纤维含量变刚度分布对制件弯曲与冲击性能的影响,在相同平均纤维含量下,3D打印变刚度结构的抗弯模量与冲击强度分别比均质结构提高了70%和65%。通过建立3D打印连续纤维增强复合材料变刚度结构的本构及有限元分析模型对其失效行为进行了分析,结果表明将较高纤维含量设置在制件的背侧,可以增加制件对纤维拉伸破坏的抵抗能力,大大提高制件的承载能力和纤维的使用效率。研究为航天航空、轨道交通等领域复合材料的设计制造提供了新的思路。     

FDM 3D打印P LA/木粉复合材料翘曲变形影响因素分析

翘曲变形是影响FDM 3D打印制件质量的一个重要因素。实验以PLA/木粉复合材料丝材为成型原料打印试样,通过正交实验研究了喷嘴温度、平台温度和层厚对试样翘曲量的影响。研究结果表明,三因素中对翘曲量的影响依次是层厚喷嘴温度平台温度,当喷嘴温度在190℃～200℃,平台温度在50℃～80℃,层厚设置为0. 2mm～0.3mm,打印的试样翘曲量比较小。这一点在正交实验中当喷嘴温度190℃,平台温度60℃,层厚0.2 mm时,试样的翘曲量达到最小为0.1mm,得到验证。     

碳纤维复合材料超声辅助钻削加工孔质量研究

碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)因其是编织材料,具有各向异性、强度高等特点,其加工难度大,加工质量较差.针对这一现状,采用电镀金刚石套料钻,对CFRP开展了超声辅助钻削与普通钻削对比实验,通过出入口质量、内壁形貌分析,研究了超声振动作用对孔出入口、内壁质量...     

连续碳纤维增强尼龙6复合材料3D打印装备与参数调控

为实现高性能纤维增强树脂基复合材料低成本、一体化快速制造,本文研究了一种连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术。借鉴熔融沉积成形工艺,建立了其成形原理,设计了集成打印头模块并搭建原理样机,采用二级喷嘴对打印工艺参数进行调控,建立了工艺参数对纤维含量与力学性能的影响关系,在纤维体积含量达到44.1vol%时,连续碳纤维增强尼龙6复合材料的拉伸强度与模量达到405MPa与80.6GPa,弯曲强度与模量达到565.8MPa与62.1GPa。     

再生碳纤维回收利用及其增材制造复合材料性能评价

为实现碳纤维增强树脂基复合材料废弃物高效、高质、环境友好型回收与再生碳纤维高值再利用,提出了热活化氧化物半导体回收碳纤维与再生碳纤维增强复合材料(rCFRP)增材再制造的工艺方法。通过电磁顺磁共振与红外光谱测试分析了回收原理,基于单因素实验研究了树脂基体分解率的影响因素以及显著因素对再生碳纤维结构、性能的作用规律,探究了再生碳纤维增强聚乳酸复合材料(rCF/PLA)的力学性能及其产品应用。结果表明,回收过程无液相产物,气相产物主要为CO₂、H₂O;树脂基体分解率与温度、时间呈正相关,O₂浓度及流量作用不显著,树脂基体分解率可达97.1%且再生碳纤维表面无积碳产生。再生碳纤维表面氧化与石墨结构刻蚀程度随温度升高而增加,在一定温度下,合理的处理时间可减小其表面氧化与石墨结构刻蚀程度。再生碳纤维的单丝拉伸性能与温度、时间呈正相关,其单丝拉伸性能可保持原碳纤维的99%以上。与聚乳酸相比,rCF/PLA的抗拉强度提高了7.47%,抗弯强度与模量分别提高了12.29%与52.4%;与原碳纤维增强聚乳酸复合材料相比,rCF/PLA的抗...     

连续碳纤维增强复合材料3D打印机剪丝机构设计

针对目前连续碳纤维增强复合材料3D打印机国内外的研究现状,总结关键技术难题与不足,针对连续碳纤维增强复合材料3D打印机设计了一种可拆卸式的碳纤维预浸丝剪丝机构。首先,使用ANSYS有限元软件对碳纤维预浸丝切割动作进行动力学有限元仿真,寻找切割碳纤维预浸丝的合理参数,并进行剪丝试验研究。其次,根据试验结果选取动力机构与刀片,设计连接机构进行剪丝机构的组装。最后,根据实际控制系统,使用STM32系列单片机对剪丝动作进行编程并调试,验证机构的可行性。     

基于电场驱动熔融喷射聚合物基复合材料高分辨率3D打印

针对当前聚合物基复合材料（Polymer matrix composites，PMC）成型存在打印分辨率低、打印材料受限、成型结构较为简单、工序复杂等方面的不足和局限性，尤其是还面临难以实现宏/微结构跨尺度高效制造的挑战性难题，提出一种基于电场驱动熔融喷射PMC高分辨率3D打印新工艺。阐述了基于电场驱动熔融喷射PMC高分辨率3D打印的基本原理和工艺流程。通过试验，揭示了主要工艺参数（碳填料含量、施加电压、螺杆转速、打印速度、加热温度等）对于打印件分辨率（精度）和质量的影响及其规律。利用自主搭建的试验平台，并结合试验优化的工艺参数和提出的两种打印模式，实现了多层石墨烯/聚乳酸（Polylactic acid，PLA）和多壁碳纳米管/PLA复合材料微尺度三维网格、多层石墨烯/PLA大高宽比薄壁圆环、多壁碳纳米管/PLA复合材料柔性导电网格以及其他聚合物复合材料3D结构典型工程案例的制造。研究结果表明，提出的电场驱动熔融喷射3D打印能实现高分辨聚合物基复合材料成型（使用内径300 μm喷嘴，实现了分辨率为40 μm的PMC特征结构制造），而且还具有大面积宏/微结构跨尺度集成制造的优势。     

应变片在复合材料低能量冲击定位中的应用

针对应用在航空结构中的碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced plastics,简称CFRP)的冲击与振动检测的需求,提出了利用电阻式应变片实现冲击定位的方法。通过应变片获取动态应变信号,运用小波变换提取信号的波达时间,采用Mindlin板理论计算波速,最后使用笔者提出的定位算法计算冲击源的位置。在一个尺寸为400mm×400mm×2mm的CFRP层合板样板上进行实验,结果显示误差小于10mm,证明所提出的方法可用于碳纤维增强树脂基复合材料层合板的冲击定位,为航空结构的结构健康监控提供了一定的依据。     

基于熔融浸渍的3D打印用连续碳纤维预浸渍设备开发

采用喷嘴内浸渍工艺的打印构件孔隙率高、力学性能差，且难以通过剪断续打实现选择性增强功能。为提高树脂与纤维之间的界面结合性能，开发一套基于熔融浸渍工艺的连续碳纤维预浸渍设备。利用该设备能够将打印性较差的碳纤维原丝制备成具有较高强度和韧性的连续碳纤维预浸丝，从而提高打印构件的力学性能。详细介绍预浸渍设备各部分的结构设计以及整个设备控制系统的搭建工作，并对利用该设备制得的碳纤维预浸丝进行拉伸试验，评估其力学性能；利用扫描电子显微镜观察预浸丝横截面的微观形貌。结果表明：经过预浸渍设备处理的碳纤维预浸丝的极限拉力达到130 N，与碳纤维原丝相比提高了83%；预浸丝内部大部分纤维单丝被基体树脂均匀包裹，有效减少了孔隙缺陷。     

光-热双固复合材料3D打印成型数值模拟及实验验证

光-热双固化碳纤维增强复合材料3D打印成型综合了增材制造零件高精度无模快速成型和热固化基质材料力学性能优良的优势,具有广阔的应用前景。针对光-热双固化复合材料制件变形带来的制件疲劳寿命降低以及连接装配损伤等问题,综合考虑光固化动力学、热固化动力学及固化变形建立了光-热双固复合材料成型的多物理场理论模型,研究了复合材料光-热双固3D打印成型过程中单层固化厚度、光-热双固数值材料组分及纤维含量和长径比对制件变形的影响,并通过实验验证了模型及理论分析结论的正确性。结果表明,增加单层固化厚度从而减少分层数可以降低制件固化后的应力应变和翘曲变形;光-热双固化树脂中光固化树脂分数增加会使制件的翘曲变形量增大;提高纤维体积分数和纤维长径比可以降低制件膨胀系数,从而降低制件的翘曲变形量。复合材料光-热双固化3D打印成型过程的多物理场建模计算方法可以为相关研究提供借鉴,基于该方法的研究结果对于优化工艺参数从而提升成型质量具有参考价值。     

工艺参数对FDM成型塑料制品力学性能的影响

主要研究了打印速度和层高这两个关键工艺参数及其交互作用对采用熔融沉积(FDM)方式加工的标准塑料制品试件力学性能的影响规律。以聚乳酸(PLA)作为原料,采用创想三维的Ender-3s型3D打印机,分别制备了填充率在20%、30%和50%三种情况下,不同打印速度和打印层高时,试件的抗拉强度,并对拉伸试验所获得的数据进行等重复双因素方差分析。研究结果显示：打印速度和层高均对试件抗拉强度有显著影响,其中以打印层高影响效果最为显著;20%、30%和50%三种情况中交互作用对试件力学性能的影响也较为显著。在相关采用FDM工艺制备的塑料制品的设计和使用中应当充分考虑这几个因素的影响。     

并联结构的3D打印系统设计与分析

设计了一种具有并联传动机构的3D打印系统,对系统的运动原理进行了分析,以及阐述了斜杆长度、斜杆夹角和水平偏差产生的原因,通过对3D打印系统加工零件精度有关的挤出倍数、喷嘴直径、分层厚度、喷嘴温度与热床温度等工作参数的分析和优化,保证加工零件的精度。采用PLA塑料作为加工材料,完成了具有燃料电池双极板的加工,通过平行流道和蛇形流道燃料电池的工作性能实验,证明了3D打印系统运行的有效性,为后续3D打印系统应用于燃料电池复杂流道的制造奠定了基础。     

层高对陶瓷浆料微流挤出成形质量的影响研究

为了确定微流挤出成形陶瓷浆料的最佳层高以及能够成形的最大高度,针对氧化锆陶瓷浆料,分析了丝体从喷头挤出后喷头与沉积丝体之间的5种高度关系,探讨了层高对打印质量的影响机理,并根据浆料特性建立了层间压缩形变模型;通过不同喷头直径和不同层高的3D打印工艺实验,采用数码显微镜扫描、尺寸测量及力学实验等方法对打印试样的表面形貌、成形精度及力学性能等进行了测量与表征,验证了所建模型的正确性。结果表明,当层高与喷头直径的比值分别为0.96、0.92、0.86、1、1.2时,打印质量从优到劣依次递减,因此,合理的层高设置可以减少陶瓷零件的打印缺陷,提高打印质量,为基于材料挤出工艺的参数选择提供一定的理论指导。     

基于CFRP切削过程仿真的面下损伤形成分析

由于碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)宏观上呈现非均质、各向异性,细观上表现为纤维和树脂的特殊混合形态,导致其制件加工过程中极易产生分层、开裂等损伤,严重影响其制件的加工精度及承载性能。研究CFPR加工损伤产生机理并以此降低加工损伤是提高其加工质量的关键。基于宏观各向异性本构、Hashin失效起始准则及损伤演化,建立了可实现任意纤维角度单向板连续动态切削过程仿真分析的直角切削有限元模型,分析了任意纤维角度CFRP单向板连续切削过程面下损伤,得到了纤维角度、切削参数、刀具结构对面下损伤深度的影响规律。具体结果:纤维角度为影响面下损伤的主要因素,随纤维角度增大,切削力增大同时面下损伤深度也明显增加;面下损伤的主要原因为切削力过大导致的基体破坏及扩展;对于135°单向板面下损伤深度随刀具前角增大呈先增大后减小的趋势。     

3D打印连续纤维复合材料丝材的成形规律

针对3D打印连续纤维增强热塑性树脂复合材料,研究了热塑性树脂在螺杆挤出过程中的流动机理和在纤维界面的浸渍行为,揭示了螺杆转速和牵引速度对复合丝材成形直径和纤维含量的影响规律。提出使用实际浸渍时间和理论完全浸渍时间来共同表征树脂对纤维的浸渍程度,观察复合丝材断面的形貌可知,高浸渍程度的丝材内部空隙较少,树脂和纤维结合更紧密。进行3D打印成形测试,当丝材的浸渍程度从17.25%提高到40.02%,样件的拉伸强度可从132 MPa提高到160 MPa,提高约21%。对样件进行动态力学性能分析(DMA)测试,试验结果表明浸渍程度高的复合材料成形件具有高的存储模量和损耗模量,表明其纤维和基体间的界面结合程度得到了提高和改善。     

碳化硅/碳纤维陶瓷复合材料的直写打印研究

通过直写打印技术首次打印具有三层壳核微观结构的碳化硅/碳纤维陶瓷复合材料长丝,以碳化硅/碳纤维陶瓷复合材料长丝堆叠成立体结构,干燥固化后再通过以聚碳硅烷为前驱体的溶液进行渗透,最终以真空烧结炉热解最终得到力学性能较好的网格结构试样。重点研究不同配比下碳化硅/碳纤维陶瓷复合材料打印墨水的打印难度,以及在不同热解温度下得到试样的性能进行对比。实验结果表明,配置的打印墨水黏度越低,复合材料同轴打印挤出难度越低,但复合材料长丝凝固成形难度越高。在得到复合材料长丝打印成形的最佳工艺参数及相应长丝直径数据后,以中空网格结构为实例,通过多层堆叠打印由三层壳核微观结构的复合材料长丝组成的方形、圆形立体结构,干燥后进行多次浸渍工艺附着聚碳硅烷,再进行分步热解处理,得到的试样经过力学拉伸测试,其拉伸强度约为22.35Mpa。碳化硅/碳纤维陶瓷复合材料的直写打印工艺可行性。     

基于FDM的柔性材料3D打印工艺研究

采用传统FDM设备打印柔性丝材时,由于送丝力过大,易出现丝材弯折和回抽困难等问题,导致打印失败。在丝材FDM打印头上同时实现软硬材料的打印,有利于拓宽FDM 3D打印的应用领域。提出了一种仅通过改变弹簧尺寸来调节送丝力的简便有效方法,从而保证不同硬度材料的稳定打印。通过观察打印过程中送丝稳定性情况和成型制件的表面质量,得到适合材料打印的最佳弹簧弹性系数。研究结果表明:保证丝材稳定打印的送丝力随丝材硬度的增大而增大,适合TPE-83A、TPU-87A及TPU-95A三种柔性材料打印的合适的弹簧弹性系数分别为0.37 N/mm～0.48 N/mm、0.37 N/mm～0.70 N/mm、0.48 N/mm～1.32 N/mm;选择合适弹性系数的弹簧进行大尺寸样件打印时,打印稳定性良好,且制件表面质量佳,充分说明该方法的合理性。该研究结果对进行FDM送丝机构的结构设计具有借鉴意义。