美國陸軍表征連續(xù)3D打印碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料零件

  美國密歇根州陸軍坦克、汽車研究開發(fā)和工程中心（TARDEC）的三位研究人員最近發(fā)表了一項(xiàng)名為“通過熔融長絲制造連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表征”的研究，該研究用于連續(xù)碳在Mark Two 3D打印機(jī)上打印纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料部件。

  研究人員表示：“目前的工作重點(diǎn)是通過連續(xù)長絲制造（CFF）連續(xù)纖維增強(qiáng)樣品的拉伸性能。在有和沒有連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的情況下，在多個方向上測試樣品。當(dāng)將0?碳纖維增強(qiáng)試樣與沒有連續(xù)增強(qiáng)的試樣進(jìn)行比較時，平均屈服強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別增加20倍，15倍和240倍。當(dāng)將具有90?取向連續(xù)增強(qiáng)的試樣的結(jié)果與0?試樣進(jìn)行比較時，屈服強(qiáng)度下降60％，拉伸強(qiáng)度下降62％，彈性模量下降52％。這些結(jié)果表明，當(dāng)垂直于纖維取向施加載荷時，機(jī)械性能明顯降低。通過垂直豎立在印刷床上的印刷樣品測試相鄰層之間的粘合性。這些樣本的所有樣本的強(qiáng)度最低。作者建議按照ASTM D3039-17使用帶有粘接片的矩形樣品進(jìn)行測試，以減少樣本遇到的纖維排列問題。“

  由于大多數(shù)3D打印部件是自下而上構(gòu)建的，因此平面外材料特性比平面內(nèi)部特性要弱。當(dāng)連續(xù)纖維發(fā)生面內(nèi)印刷時，完成的部件可以具有增加的剛度和面內(nèi)強(qiáng)度，但是研究人員并不清楚連續(xù)纖維增強(qiáng)件如何影響制造部件的機(jī)械各向異性。

  “為了讓設(shè)計(jì)工程師在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中使用連續(xù)纖維增強(qiáng)AM部件，他們將需要這些材料的三維機(jī)械性能，”研究人員解釋說。研究人員在他們的研究中使用了Markforged的尼龍基熱塑性O(shè)nyx，以及涂有粘合劑材料的連續(xù)碳纖維絲束，以及3D打印的幾個試樣，以便更好地了解連續(xù)碳纖維對多少影響：

  第1組：Onyx（平面內(nèi)，尼龍/碳塑料）：ID＃1-1,1-2,1-3

  第2組：0?纖維（面內(nèi)，對齊的碳纖維）:: ID＃2-1,2-2,2-3

  第3組：90?纖維（面內(nèi)，垂直于碳纖維）：ID＃3-1,3-2,3-3

  第4組：z方向（平面外，垂直于碳纖維）：ID＃4-1,4-2,4-3

  為了使分析更容易，該團(tuán)隊(duì)僅測試了具有單向纖維取向的樣品。第一組中的純Onyx樣品厚度為1.8 mm用作基線，而第2組的0°樣品在屋頂和地板上有兩個0.125 mm的Onyx層，側(cè)壁上有兩個Onyx層，其余部分填充碳纖維，“拉伸方向縱向拉伸，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)”。“附加試樣3-1,3-2和3-3印有垂直于拉伸拉伸方向取向的纖維。這些標(biāo)本在屋頂，地板和墻壁上的厚度與前一組標(biāo)本相同，“研究人員解釋說。 “值得注意的是，對于這些樣品，由于纖維的取向垂直于拉伸方向，因此打印頭必須在測量部分內(nèi)轉(zhuǎn)角，因此，測量部分內(nèi)的纖維取向不是完全單向的。”

  第4組樣品垂直3D打印，并測試?yán)w維增強(qiáng)層之間的粘合性評估。然后，研究人員對Onyx樣品進(jìn)行了熱重分析（TGA）和傅里葉變換紅外（FTIR）分析，以便更好地了解材料的熱特性;還進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，直到樣品完全失效。“當(dāng)將0?碳纖維增強(qiáng)樣品與純on瑪瑙樣品進(jìn)行比較時，機(jī)械性能增加了幾個數(shù)量級，”研究人員解釋說。 “例如，平均屈服強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別增加20倍，15倍和240倍。當(dāng)比較纖維增強(qiáng)樣品與Onyx材料的機(jī)械性能時，機(jī)械性能的顯著改善與傳統(tǒng)的層壓復(fù)合材料一致，其中單向樣品的強(qiáng)度和剛度比均質(zhì)環(huán)氧墊高幾個數(shù)量級。

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