杨木粉/聚乳酸3D打印复合材料的性能研究及工艺分析

制备得到添加不同弹性体的杨木粉/聚乳酸复合线材,再通过熔融沉积成型技术打印成型。对复合材料的力学性能和流变性能进行测试,研究弹性体的种类对复合材料的影响,并分析复合材料在打印过程中的优势和问题。结果表明:聚己内酯(PCL)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)的添加可提高复合材料的冲击强度,但拉伸强度、弯曲强度性能降低。复合材料的复数黏度与频率成负相关,存在剪切变稀现象。添加弹性体后,复合材料的复数黏度、储能模量和损耗模量增大。可见,添加PCL的复合材料能获得相对较好力学性能和增韧效果。对制品的误差进行分析,XY方向上误差小。此技术能打印的最大斜角为无限接近于arctan(分层尺寸/线径),可实现精度要求较高的榫卯拼接和较复杂的镂空。

3D打印复合材料拉伸变形的声发射监测

3D打印技术为复合材料制备提供了一种新方法。为了研究不同打印层厚度(t)对3D打印复合材料拉伸变形和损伤演化的影响,采用COMBOT-200打印机打印了3种不同打印层厚度的复合材料。采用声发射(acoustic emission, AE)和数字图像相关(digital image correlation, DIC)技术研究了拉伸加载下3D打印复合材料的力学行为和损伤演化。通过声发射信号分析、聚类分析和全局应变分析,清晰揭示了其失效机理。结果表明:随着打印层厚度的增加,3D打印复合材料的破坏载荷减小,单位时间内AE信号累积撞击数迅速增加;拉伸载荷下AE信号分为三类,分别为基体开裂、纤维脱黏和纤维断裂。在相同载荷范围内,试件表面应变值随打印层厚度的增加而增大。当试样接近拉伸破坏时,材料的表面应变急剧增加,表明试样接近断裂。利用AE和DIC相辅相成的无损检测技术,可以同时获得3D打印复合材料在拉伸载荷下的声发射响应和表面应变场信息,揭示其损伤演化和断裂机理。AE和DIC技术的结合为3D打印复合材料的健康监测提供了参考。

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。

碳纤维复合材料回收与再利用技术进展

随着复合材料在各领域的广泛使用,废弃复合材料的回收与再利用成为了必须面对的问题。大多数结构件所采用的是热固性树脂基复合材料,正是由于其优良的耐腐蚀性,复合材料的回收与再利用存在一定的挑战。文中归纳了碳纤维复合材料的回收技术,并调研了回收碳纤维在国内外的应用现状,发现目前热裂解回收方法在国外已经得到了成熟的应用,回收纤维也已用于规模化生产航空、地面交通等领域的结构零件;但国内碳纤维回收和回收纤维产业化的报道则较少。结合碳纤维复合材料的3D打印技术,如果将回收的碳纤维用作3D打印原材料,既有利于环境保护,又能降低复合材料3D打印制件的成本,具有重要的社会效应和经济价值。

3D打印GFRP层内失效力学行为的理论模型及细观机制

为实现3D打印纤维增强树脂基复合材料(Fiber reinforced polymer,FRP)桥梁工程构件力学性能的精确分析,推进3D打印FRP技术在桥梁工程中的应用,本文分别从理论及试验角度对3D打印FRP的关键力学性能进行了探索。首先,结合打印FRP的细观结构空间几何特征,提出了打印丝连续假设。进而,基于该假设及面内应力转轴模型,构建了层内应力下3D打印FRP的杨氏模量分析预测模型。同时,考虑材料的多种失效模式,基于Tsai-Wu理论建立了层内应力下该材料的抗拉强度分析预测模型,且该模型考虑了4种不同的剪切强度计算模式。其次,考虑材料的打印角度、线宽及层厚,设计了系统性的杨氏模量及抗拉强度测试分析试验,对上述两类理论模型的精确性进行了验证。研究结果表明:打印角度与杨氏模量及抗拉强度之间呈明显的负相关关系,当打印角度从0°增加至90°时,杨氏模量的减小幅度范围为65.48%~79.62%,抗拉强度的减小幅度范围为50.99%~71.55%。打印线宽对杨氏模量及抗拉强度的影响较明显,0.6mm及0.8mm线宽下材料的两类关键力学性能相近,且均明显强于0.4mm线宽下的力学性能,其中杨氏模量的变化幅度范围为20.18%~49.27%,抗拉强度的变化幅度范围为27.53%~54.55%。宏观尺度失效结果表明,存在两类失效模式,分别为打印丝断裂失效及打印丝分离失效。同时,本文从细观尺度揭示了两类失效模式产生的机制及打印参数对关键力学性能的影响机制。综上,本次构建的两类模型为量化评价3D打印FRP桥梁工程构件的关键力学性能提供了理论支撑。