基于主应力轨迹线的连续碳纤维复合材料3D打印路径规划方法

连续碳纤维复合材料3D打印成型零件的力学性能对纤维的铺设方向有需求,传统的路径规划方法基于零件的形状轮廓进行填充,不能满足零件的实际使用性能。针对这一问题,提出基于主应力轨迹线的连续碳纤维复合材料3D打印路径规划方法。基于连续碳纤维复合材料三维模型的有限元分析数据,通过材料力学计算得到相应的主应力轨迹线;通过连续碳纤维复合材料3D打印的打印参数对得到的主应力轨迹线进行调控,保证每一条轨迹线之间的间距契合3D打印要求;通过坐标变换调整有限元分析坐标系以及打印机坐标系;通过以上调控生成用于连续碳纤维复合材料3D打印的G code规划文件。通过路径规划仿真对比和打印拉伸实验,基于主应力轨迹线生成的连续碳纤维复合材料3D打印路径比传统直线碳纤维复合材料3D打印路径性能提高了4.5%,验证了基于主应力轨迹线的连续碳纤维复合材料3D打印路径规划方法的有效性。

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。

连续碳纤维复合材料3D打印的切片方向调控

三维模型切片处理是3D打印的前提。由于连续碳纤维复合材料各向异性的特点,分层处理前,根据成型样件力学性能的方向性要求,对三维模型切片方向进行调控是获得满足成型性能需求的碳纤维3D打印零部件的保证。在三维拓扑重建的基础上,通过力学方向约束下的坐标矩阵变换算法实现三维模型切片处理的方向性调控;采用变换矩阵空间后的切平面相交法进行等层厚分层处理,实现连续碳纤维复合材料3D打印成型路径方向规划。通过不同模型多方向切片处理实验证明算法的有效性。

连续碳纤维增强尼龙复合材料的3D打印研究

连续碳纤维增强复合材料具有高强度、刚性、耐磨、耐高温和轻量化等优点,适用于需要高性能且轻量化的领域。将三维(3D)打印技术用于制备连续碳纤维增强复合材料则具有更高效、低成本、高材料利用率和灵活生产等优势。本文开展了连续碳纤维增强尼龙复合材料的3D打印研究,研究了挤出宽度、层厚、打印温度对打印材料拉伸性能以及弯曲性能的影响,并探究了退火后处理对材料力学性能的影响。使用扫描电子显微镜(SEM)观察了3D打印样品的切割横截面和拉伸断裂失效横截面,在不同工艺参数条件下,分析和讨论了打印样品和后处理打印样品的内部结构和力学性能之间的关系。结果表明,当挤出宽度为0.65 mm时打印样品力学性能最佳,拉伸强度和拉伸模量为501.51 MPa和31.70 GPa,弯曲强度和弯曲模量为164.53 MPa和31.91 GPa;当层厚为0.1 mm时打印样品力学性能最佳,拉伸强度和拉伸模量为520.78 MPa和36.59 GPa,弯曲强度和弯曲模量为168.43 MPa和32.31 GPa,之后力学性能随着层厚的增加而减小。打印温度对打印样品的力学影响较小。退火后处理对打印样品的力学性能具有一定的优化效果,拉伸强度提升效果有3.07%,弯曲强度提升了51.27%。

3D打印连续纤维复合材料工艺、结构优化研究进展

连续纤维增强复合材料由于优异的比强度、比刚度、可设计性和轻量化特质,日益受到航空航天等高端装备制造领域的青睐.3D打印技术的发展改变了连续纤维复合材料结构的生产制造流程,使复杂结构的自由成型成为可能,为先进结构材料提供了巨大的设计空间.为充分发挥先进材料性能优势和3D打印成型灵活性,研究人员分别从材料性能和结构设计出发,探索与3D打印连续纤维复合材料相适应的设计制造一体化解决方案,实现产品创新设计和性能提升.本文系统性地回顾了面向连续纤维复合材料性能分析、工艺改进和结构优化的研究工作,结合研究实践对连续纤维复合材料的结构多尺度优化方法进行总结分析,并对未来先进材料结构设计实时化、功能化、智能化的发展趋势进行探讨和展望.

连续芳纶纤维增强PLA复合材料3D打印技术成型缺陷及工艺优化方法研究

连续纤维3D打印技术结合了复合材料高力学性能和3D打印灵活制造的优点,具有较大发展潜力。然而现有工艺制得的零件存在较多成型缺陷,影响了该技术的大规模应用。本文基于自行研制的3D打印设备制造芳纶纤维增强PLA试验件,研究试验件成型质量并提出了滑移缺陷发生条件,系统研究了纤维束滑移、剥离、断裂和层间孔隙等缺陷,最后提出优化打印速度、路径变化角、冷却系统和喷嘴外形四种工艺优化方法,设计了相关试验进行验证。结果表明,优化打印速度、路径变化角和增设冷却系统可将纤维束滑移距离分别降低45%、81%和50%,优化喷嘴设计可将纤维束断裂率降低90%。本研究为基于3D打印的复合材料设计和制造提供了新的思路和解决方案。

3D打印短碳纤维/树脂复合材料摩擦特性研究

为制备低碳纤维含量的耐磨复合材料,使用3D打印技术结构可设计的优势对纤维排列进行调控,从而影响碳纤维增强环氧树脂基复合材料的摩擦磨损性能。成功制备堆叠和仿生螺旋结构的3D打印复合材料,探究复合材料的硬度、导热系数、摩擦磨损性能与打印结构的关系。结果表明,由于纤维排列方式及层间应力传递效率不同,0°堆叠结构和仿生螺旋结构的样品显示出最低磨损率,分别为1.272×10^(-4)mm^(3)/(N·m)和1.283×10^(-4)mm^(3)/(N·m),获得了低碳纤维含量下耐磨性能优异的短切碳纤维增强树脂复合材料。研究成果展示了3D打印仿生螺旋结构复合材料在摩擦磨损领域的显著优势。

3D打印与仿生学融合:仿竹结构的碳纤维增强碳化硅复合材料

随着航空航天等领域对材料性能要求的日益提高,陶瓷基复合材料(CMCs)因其卓越的高温稳定性和优异的力学性能而备受关注。然而,CMCs在机械性能与电磁波吸收(EWA)性能之间的平衡一直是一个技术难题。近期,西安交通大学的科研团队在《材料科学与技术杂志(Journal of Materials Science&Technology)》上发表了一篇关于仿竹结构的连续碳纤维增强SiC(Cf/SiC)复合材料的研究成果,为CMCs的应用提供了新的思路。

“碳纤维-石墨烯”混合体系在3D打印聚氨酯复合材料力学及微波后处理工艺中的协同作用

为研究“碳纤维-石墨烯”(carbon fiber-graphene,CF-G)增强热塑性聚氨酯(TPU)复合材料3D打印试件的力学性能以及微波后处理的影响,通过螺杆挤出工艺制备了CF-G增强TPU(G+CF/TPU)复合材料线材,然后采用熔融沉积成型技术和微波后处理工艺,制备了G+CF/TPU复合材料3D打印试件。研究表明,CF-G异质结构能够协同提高TPU复合材料的力学性能,特别是采用新型微波后处理工艺后,G+CF/TPU试件的拉伸强度和韧性得到进一步提高。其原因是CF-G异质结构与微波的协同作用促进了增强相与基体之间的界面黏结,减少了3D打印过程中点、层和道之间的内部缺陷。研究结果对于探索3D打印材料的力学性能强化和后处理工艺优化具有积极的意义。

连续纤维复合材料3D打印纤维排布影响分析

连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTPCs)3D打印技术可以缩短CFRTPCs部件的开发周期并提高生产效率。为研究不同纤维排布对CFRTPCs 3D打印样件拉伸性能的影响,设计了三种增强层分布的CFRTPCs拉伸样件和六种层内纤维铺设角度不同的拉伸样件,并对样件拉伸损伤失效过程进行实验和仿真。实验结果表明,样件刚度和极限抗拉强度随纤维体积分数的增大均有提升,载荷方向与纤维排布间角度增大时样件弹性模量急剧下降;在设计连续纤维复合材料构件过程中,需适当提高纤维含量,减小纤维与载荷间夹角以提高性能。

国内有关植物纤维/聚乳酸复合材料在3D打印领域应用的研究

聚乳酸(PLA)是一种新型绿色友好材料,是熔融沉积(FDM)3D打印成型技术中使用最多的原材料之一,但价格较高、耐热性差、韧性差等缺陷在一定程度上制约了它在3D打印领域的应用与发展。为克服此不足,国内学者开展了大量的植物纤维与PLA复合并将其应用于FDM 3D打印领域的研究。对此方面的研究进展进行综述,并对植物纤维/PLA复合材料在3D打印领域的未来进行了展望。

熔融沉积法3D打印天然植物纤维/可降解塑料复合材料的进展

近年来,3D打印技术在国内外得到了广泛关注。熔融沉积成型(FDM)为目前3D打印技术中最常用的一种工艺方法,可降解塑料为FDM使用较多的原材料。但是,单一的可降解塑料材料的成本较高,存在性能缺陷,限制了其在3D打印技术领域中的进一步发展。利用天然植物纤维与可降解塑料进行复合,用于FDM 3D打印,不仅能降低材料的成本,还可以改善材料的部分性能,因此,该类复合材料越来越多地被应用于FDM 3D打印领域,可以替代单纯的可降解塑料。对该领域的最新研究进展进行了综述,重点阐述了各类植物纤维与聚乳酸等可降解塑料复合后,在FDM 3D打印工艺中的研究及应用。

连续碳纤维增强复合材料3D打印喷头设计与实验分析

以“独立挤出”型连续碳纤维增强PLA复合材料(continuous carbon fiber reinforced PLA composite,CCFRC/PLA)3D打印制件为研究对象,设计了柔性的连续碳纤维增强PLA复合材料丝(continuous carbon fiber reinforced composite filament/PLA,CCFRCF/PLA)送丝机构,研究了打印喷嘴直径与CCFRCF/PLA直径、表面包裹树脂膨胀特性及打印层高的关系,探讨了喷嘴端面直径对打印表面热辐射的影响规律,推导了喷嘴直径的计算公式,求解了最佳喷嘴直径和最佳端面直径。基于设计的打印喷头,采用仿真分析与实验验证的方法,探索了打印层高与制件力学性能之间的关系,结果表明CCFRC/PLA的抗拉强度与纤维层数呈正相关,并验证了层合板预测模型的有效性,获得了打印层高0.1 mm时CCFRC/PLA抗拉强度的修正系数为0.039,打印层高0.2 mm时,修正系数为0.124,为连续碳纤维增强复合材料3D打印技术的发展提供了理论基础和参考价值。

3D打印构筑羧基化纤维素纳米纤维基辐射制冷复合材料

日间辐射制冷是一种无能量输入的被动冷却技术,主要通过调控材料自身的光学特性使其对太阳光进行高反射,同时大幅增强其在大气透明窗口的热辐射,以实现自身降温的效果。多孔结构辐射冷却材料是最有潜力实现日间辐射制冷的材料体系,提出墨水直写3D打印方法,制备得到了具有良好辐射制冷性能的羧基化纤维素纳米纤维(CNF)/六方氮化硼(h-BNNS)多孔复合材料。CNF作为一种可从天然材料中提取的绿色资源,由丰富的、在大气透明窗口波段具有高吸收峰的C-O等官能团组成,成为了辐射制冷材料良好的构筑单元。利用CNF表面丰富的含氧官能团极易与其他组分复合并构筑具有三维网络结构的复合体系。高折射h-BNNS无机纳米颗粒的引入,使得所构筑的复合材料获得了较高的太阳光散射(96%)、较高的大气窗发射率(94%)。在太阳光直射条件下,该纤维素纳米纤维复合材料可最高实现12℃的冷却温度和90.1 W·m^(-2)的平均冷却功率。

3D打印连续苎麻纤维增强聚乳酸复合材料的准静态侵彻性能

传统成型工艺制造的合成纤维增强复合材料逐渐无法满足低成本、快速制造、环境友好等要求。因此,选取连续苎麻纤维增强聚乳酸(PLA)基生物质复合材料,采用原位浸渍3D打印工艺成型不同铺层方式的样件。利用准静态侵彻测试评估了铺层方式、支撑跨距与冲头直径比(跨距比)及增强材料对侵彻性能的影响,并通过背光法实时监测侵彻过程中复合材料的损伤行为。结果表明,连续苎麻纤维的加入使样件的侵彻强度提升了51.5%(单向)和52.9%(正交);正交铺层的复合材料样件与单向铺层相比,吸收的能量和最大侵彻力分别提升了24.9%、13.1%;打印样件的侵彻力和能量吸收能力随着跨距比的降低而显著增加,跨距比为10时的正交铺层复合材料与跨距比为5时相比,强度提升了202.4%。最后通过样件的多尺度失效特征分析及侵彻机理研究,揭示了3D打印生物质复合材料的铺层结构-侵彻性能的关系。

基于熔融沉积成型的连续纤维增强复合材料3D打印研究进展

熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)工艺具有无模自由成型、可设计性强、快速成型等特点,进一步扩大了连续纤维增强复合材料的应用范围,是当前受到广泛关注和研究的3D打印成型工艺。本文针对连续纤维增强复合材料的FDM工艺成形原理、工艺方法及设备、打印原材料等方面进行综述;分析了工艺参数、浸渍状态以及路径规划算法对连续纤维增强复合材料3D打印样件的力学性能及表面质量的影响。针对当前FDM工艺以及技术发展所遇到的问题进行总结并对今后发展的重点方向提出建议。

连续纤维增强复合材料3D打印技术现状及展望

纤维增强复合材料因其轻量化、高强度和高设计自由度等优点一直备受航空、航天和汽车等领域的青睐。3D打印是实现连续纤维增强复合材料快速化、个性化和复杂化结构制备以及突破传统制造方法限制的有效途径之一。本文综述了连续纤维复合材料3D打印技术的基本原理、方法分类和研究进展,从成型的材料、工艺、性能和机理等方面进行综述,并对混杂连续纤维增强复材3D打印、多自由度3D打印及其路径规划提出了展望。

基于连续碳纤维3D打印的结构拓扑优化及工艺研究

本文利用3D打印技术制备了“椭圆形跑道”样件来研究不同纤维角度和纤维层分布对样件机械性能的影响,并通过实验考察各种力学测试中样件的断裂模式。然后基于变密度的拓扑优化理论对三点弯曲梁、C形夹和弹架悬臂进行结构拓扑优化,并通过力学性能实验进行验证。结果表明,在所有的测试中都观察到样件具有各向异性的机械性能,其中纤维方向具有最高的强度和刚度,而跨层方向具有较低的强度和刚度。通过有限元分析和压缩试验表明,经过拓扑优化的连续碳纤维3D打印弹架悬臂结构能够经受住极端运行条件的考验。

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。

连续碳纤维增强尼龙复合材料预浸丝制备与3D打印性能研究

为了提升连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTPCs)3D打印技术中树脂对纤维的浸渍能力,实现良好浸渍界面结合性能,利用自主研发的熔融浸渍纤维预处理装置进行碳纤维增强尼龙预浸丝制备,并以预浸丝为原材料进行复合材料3D打印研究。研究了浸渍过程与挤出成型过程中关键工艺参数对预浸丝及复合材料性能的影响。结果表明,经充分浸渍的预浸丝极限拉力和拉伸强度分别为118.2N和813.9MPa;当扫描间距为1.5mm,分层厚度为0.1mm时,拉伸强度和模量分别为558MPa和56GPa;利用微米X射线三维成像系统测得复合材料的孔隙率约为0.15%;准正交各向同性纤维铺层结构改善了复合材料的抗冲击性,能够达到的峰值载荷约为4.63kN。