3D打印连续纤维增强热塑性复合材料成型质量的研究进展

连续纤维增强热塑性复合材料正在汽车工业、航空航天等领域得到日益广泛的应用。近年来连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术得到了研究人员越来越多的关注,成为新的研究热点。与自动纤维铺放、缠绕等传统复合材料的增材制造方式相比,3D打印技术逐层堆积的成型原理使其具有更大的制造灵活性。但是当材料或工艺参数发生改变时,3D打印连续纤维增强热塑性复合材料的成型质量将发生较大改变,这一直困扰着复合材料3D打印领域的研究人员。目前学者对3D打印连续纤维增强热塑性复合材料成型质量的研究多集中于通过实验探究最优的工艺参数,缺乏对各工艺参数影响机理较为全面的总结。本文从成型质量出发,对3D打印连续纤维增强热塑性复合材料的研究现状进行综述分析,重点分析了设备工艺原理、工艺参数(打印温度、速度、纤维取向、纤维体积分数、打印间距及打印层厚度)和其他因素(材料类型、堆叠方向及使用环境)对材料性能的影响,总结出各因素对成型质量的影响主要体现在纤维体积分数、孔隙率及界面特性等方面。最后展望了3D打印连续纤维增强热塑性复合材料成型质量研究领域的发展前景,为制备具有优异成型质量的3D打印连续纤维增强热塑性复合材料产品提供参考。

五轴连续纤维3D打印机及其数控系统开发

为了解决传统三轴连续纤维3D打印复杂轨迹精确成型困难的问题,设计搭建了五轴连续纤维3D打印机,该3D打印机具有5个联动轴(XYZBC)以及1个树脂螺杆挤出装置辅助轴。针对典型的3D打印控制方案存在可联动轴数少、可扩展性差、实时性差等问题,对全软件型开放式数控系统进行了研究,并将其应用于连续纤维增材制造领域。基于开源数控平台LinuxCNC及EtherCAT工业以太网设计开发了面向五轴连续纤维3D打印机的全软件型开放式数控系统。通过优化RT–Preempt实时内核、开发集成IgH–EtherCAT的HAL模块,完成五轴联动控制,并将螺杆挤出轴作为主轴以实现其转速的精准控制。经测试,用户层与内核层调度最大抖动控制在5μs以内,集成EtherCAT的数控系统最大抖动<50μs,实时性较好。最后通过标准拉伸性能试验和空间点阵结构的成型试验验证了五轴连续纤维3D打印系统方案的可行性。