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3D打印連續(xù)碳纖維增強熱塑性復合材料中的纖維錯位和斷裂

星之球科技 來源:三迪時空3D打印網(wǎng)2021-09-15 我要評論(0 )   

3D打印連續(xù)碳纖維增強熱塑性復合材料中的纖維錯位和斷裂近些年,連續(xù)碳纖維增強復合材料由于其具有諸如高比強度和高比剛度等優(yōu)越的機械性能已經(jīng)被越來越多地應用于飛機...

3D打印連續(xù)碳纖維增強熱塑性復合材料中的纖維錯位和斷裂

近些年,連續(xù)碳纖維增強復合材料由于其具有諸如高比強度和高比剛度等優(yōu)越的機械性能已經(jīng)被越來越多地應用于飛機機身和其他高端工業(yè)產(chǎn)品。對于具有復雜幾何形狀的復合材料零件,可以在FDM工藝中根據(jù)性能要求鋪設纖維。但在FDM打印過程中,噴嘴牽引纖維轉向過程中可能會出現(xiàn)一些缺陷,包括平面外起皺、起泡、牽引向上拉和剪切效應。從而進一步影響制件的機械性能。

針對此問題,英國愛丁堡大學的Haoqi Zhang等人通過打印不同轉角和曲率的連續(xù)碳纖維增強復合材料單條紋,研究了1K連續(xù)碳纖維長絲在FDM打印過程中的纖維錯位和斷裂的形成過程,并對缺陷的形成過程進行了分析。

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


FDM工藝打印的不同轉角的碳纖維長絲(a) 30° (b) 60° (c) 90° (d) 120° (e) 150° (f) 180°

不同曲率半徑的復合材料單條紋打印效果如圖2所示,對于曲率半徑為20mm的單條紋,未觀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,長絲內(nèi)周的纖維會扭曲和起皺。當達到5mm時,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,單條條紋很難按設計的路徑打印,觀察到內(nèi)外周完全轉變的纖維折疊現(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,在實際打印過程中,應盡可能避免使用曲率半徑小于5mm的打印路徑。


FDM工藝打印的不同曲率半徑的碳纖維長絲


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