【焦点】复合材料研究 l 连续纤维增强3D打印复合材料工艺缺陷及其失效行为研究进展…l西工大等

| 3DScienceValley · 2024/03/16

谷专栏

根据《中国工程科学》，先进复合材料的发展和应用对实现高端装备轻量化、绿色化、智能化具有重要作用。例如，复合材料用于箭体整流罩、壳体、发动机喉衬和喷管等关键部件制造，提高了航天器的轻量化水平；大量采用碳纤维复合材料的国产地铁车辆，综合节能效率提高了15%以上；风力发电机叶片成为体量最大的单一复合材料产品，高性能复合材料决定了叶片综合性能。随着复合材料在装备应用方面的拓展，世界复合材料产业发展迅速，如2020年碳纤维复合材料的总需求达到1.069×105 t；今后10年复合材料市场仍处于扩张期，复合年增长率将超过8%。近年来，我国复合材料行业需求量年增长率超过20%，预计2025年市场规模将超过3500亿元。本期，通过节选国内在复合材料增材制造领域实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略快速发展的复合材料3D打印。

连续纤维增强3D打印复合材料
工艺缺陷及其失效行为研究进展

张鑫、郑锡涛、杨甜甜、宋璐阳、闫雷雷

1. 西北工业大学航空学院2. 西北工业大学飞行器复合材料结构研究所3. 哈尔滨工业大学航天科学与力学系

摘要：因设计自由度高、无需模具和快速制造等优点，连续纤维增强3D打印已成为当今最具创新性的先进复合材料成型技术之一。本文综述了连续纤维增强3D打印复合材料工艺缺陷及失效行为的最新研究进展，引入了“干/湿/干湿-混合”的概念对打印工艺进行了系统性分类阐述，重点介绍了由于工艺过程引入的三种缺陷及其特点。

随后，归纳了连续纤维增强3D打印复合材料的失效力学行为，并分析了引发失效的主要原因。

最后，针对如何减少工艺缺陷、改善失效模式和降本增效对连续纤维增强复合材料3D打印技术的未来进行了展望。

“CF-G”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

王久强、李永存、刘朝阳、雷科明、郭章新、栾云博

太原理工大学机械与运载工程学院

摘要：本文研究了“碳纤维-石墨烯”（“CF-G”）增强热塑性聚氨酯（TPU）复合材料的3D打印制造后处理工艺及其力学性能。研究表明，“CF-G”增强热塑性聚氨酯（TPU）复合材料线材可通过螺杆挤出工艺制备，然后通过FDM打印技术和微波后处理工艺制造G+CF/TPU复合材料。

进一步的研究表明，“CF-G”异质结构能协同提高TPU复合材料的力学性能，特别是通过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了进一步提高，其原因是由于“CF-G”异质结构与微波的协同耦合作用促进了增强相与基体之间的界面粘结，并减少了打印过程中点、层和道之间的内部缺陷。本研究对于探索3D打印材料的机械增强和后处理工艺具有积极意义。

空天领域用3D打印
纤维复合材料研究进展

王立超、李响、伊翠云、李金儒

哈尔滨玻璃钢研究院有限公司

© 3D科学谷白皮书

摘要：3D打印技术是一种将材料、电气、机械、数控和计算机技术集成到一起的新型成型技术，具有材料利用率高、成本低、工艺简单易行等特点；纤维复合材料，是一种具有高比强度、比模量、可设计性强的材料。而3D打印纤维复合材料的制备，是3D打印制造领域与玻璃钢材料制备的交叉研究方向。

本文介绍了3D打印工艺在纤维复合材料领域的优势、成型方法，阐述了3D打印在该领域的研究意义、技术难点，对国内外先进机构在航空航天领域的最新研究进展进行了综述分析，最后对该研究的未来发展方向进行了展望。

连续与短切CF增强PA6复合材料
双喷头3D打印工艺参数优化

苏文璐、卢立成、钱波、茅健、张立强、刘钢

1.上海工程技术大学机械与汽车工程学院2. 上海交通大学四川研究院3. 成都智远先进制造技术研究院 4. 机械工业航空大型复杂薄壁构件智能制造技术重点实验室

摘要：为提升连续碳纤维(CF)和短切CF增强尼龙6复合材料3D打印制件的力学性能、优化3D打印基础工艺参数，基于熔融沉积型3D打印工艺，通过自主搭建的双喷头3D打印实验平台制备打印制件，并以此为研究对象，设计4因素3水平正交试验，研究连续CF隔层数、连续CF打印间距、打印温度、打印速度四种工艺参数对打印制件拉伸强度和弯曲强度的影响。采用极差分析法得到最佳工艺参数组合，验证正交试验结果。

使用扫描电子显微镜观察拉伸制件和弯曲制件的断裂面微观形貌，进一步探究了打印制件的层间断裂形貌特性和层内丝材分布规律。

结果表明，当连续CF隔层数为1、连续CF打印间距为0.5 mm、打印温度为250℃、打印速度为900 mm/s时，打印制件的层内沉积线之间孔隙较少，层间结合效果较好，其拉伸强度和弯曲强度达到最高，分别为109.73 MPa和119.14 MPa，与短切CF增强尼龙6复合材料相比，拉伸强度提升了249%，弯曲强度提升了286%。

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