连续碳纤维3D打印的成型工艺及性能研究外文翻译资料

 2022-01-23 21:49:52

英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

连续碳纤维3D打印的成型工艺及性能研究

摘要

本文在深入了解和介绍国内外连续性碳纤维3D打印的工艺过程、打印模型及其性能等现状的基础上，重点研究了适合连续性碳纤维复合材料3D打印的成型工艺，包括3D打印用连续碳纤维复合材料的制备原理及装备、打印过程、成型路径处理方式及关键参数关系等，基于上述工艺原理和方法，打印出连续碳纤维复合材料测试样件，并对样件进行了机械性能测试与分析。测试实验结果表面，连续碳纤维与PLA复合材料、连续碳纤维与尼龙复合材料以及加温加压处理后的长纤碳纤维与尼龙复合材料的3D打印测试样件的拉伸强度与弯曲强度相比纯PLA、尼龙材料分别提升了204.7%、116.3%；301.1%、17.4%；383.6%、233.2%。

关键字

性能，3D打印，连续性碳纤维，复合材料

1 引言

碳纤维由于其优良的物理性能、耐高温性、耐磨性、耐疲劳性以及良好的导热导电性而被广泛应用到航天航空、国防军工、新能源汽车等多领域。然而，由于其复杂的制造过程、成本高以及无法制造结构复杂的零件而得不到普及。

3D打印技术由于其“增材制造”的原理，具有一体成型、不受模型复杂度限制，产品多样化的特点，在制造业、航天、航空以及医疗等领域具有广泛的应用前景。FDM技术作为其中的一种最普及的技术，具有周期短、成本低、易操作等特点，其原理是在计算机的控制下，将熔融态热塑性材料从喷嘴挤出并一层一层堆积成三维模型产品。若只采用纯的热塑性材料作为原料，打印出来的零部件因强度不够而不能直接应用在工业领域，如果将3D打印技术用于碳纤维复合材料零部件制造，将可以低成本高效制造具有复杂结构和高强度的碳纤维零部件。

希望对国内外连续性碳纤维3D打印的工艺过程、打印模型及其性能方面，还进一步作一些介绍。

对于碳纤维复合材料的打印，首先考虑到的是将短碳纤维与热塑性材料复合然后通过3D打印机打印零部件，Tekinalp等人研究了短碳纤维与ABS材料复合的工艺以及性能，发现短碳纤维对ABS材料有一定程度的增强但效果不大，并不能发挥碳纤维的优异性能。

对零部件机械性能增强明显的方案是通过FDM技术将连续性碳纤维与热塑性树脂复合堆挤成三维模型。此方案有2种途径：第一种是将连续性碳纤维与热塑性材料同时送进喷嘴处进行混合，然后挤出推挤成三维模型。Ken-ichiro Mori等人采用了此种方案测试连续性碳纤维复合材料的模型性能，发现连续性碳纤维对打印模型的性能增强效果显著；Chuncheng Yang等人从工艺和性能出发，详细的介绍了连续性碳纤维与ABS复合的工艺过程，并测试了打印模型的性能。但是此方案中连续性碳纤维与热塑性树脂材料在喷嘴熔融区混合，碳纤维在树脂中的分布不均匀，且熔融区小导致混合效果不充分,从而影响增强效果。第二种方案是先将连续性碳纤维与热塑性材料在打印前制备出来，然后再通过FDM打印机打印三维模型，QingXIHu等人研究此种方案的工艺过程，并分析了打印时间、打印速度以及层厚等参数对模型性能的影响。由于打印过程中空程运动的存在，以上两种方案都有很大的限制，都是采用一根连续碳纤维材料成型的方式，只能打印简单的模型，当复杂模型路径处理过程中存在断点时，以上方案是行不通的。

针对以上问题，本文提出一种新的连续性碳纤维3D打印成型工艺过程，在第二种方案的基础上增加了对空程过程的处理，可打印具有断点的模型，增加此工艺的应用。并采用PLA以及尼龙材料与连续性碳纤维进行复合，并测试连续性碳纤维对PLA、尼龙材料性能的增强效果，重点研究了适合连续性碳纤维复合材料3D打印的成型工艺，包括3D打印用连续碳纤维复合材料的制备原理及装备、打印过程、成型路径处理方式及关键参数关系等。

2 3D打印连续成型工艺

2.1 连续碳纤维复合材料制备原理

如图所示，是连续性碳纤维复合材料的制备原理图，加热块通过传热筒将温度传递给热塑性树脂，让树脂达到熔融的状态足使树脂与碳纤维充分复合形成连续性复合碳纤维材料，然后在牵引机的作用下从塑形头按照指定的直径大小拉出，最后在卷料机的作用下收料成卷。塑形头可更换，可制备不同直径大小的复合材料，水冷机可使复合材料快速冷却成型。制备原理应该可以画出一个原理框图。

图1

2.2 连续碳纤维复合材料打印过程

如图所示，是连续性碳纤维复合材料的打印原理图，碳纤维复合材料在进料机的作用下进入喷头，喷头可实现X、Y轴两个方向的水平运动，工作台可实现Z轴方向的竖直运动，在3个方向的协调运动下，最终在工作台上堆积成三维模型。在连续性碳纤维复合材料的打印过程中，剪断过程是关键影响因素，本文中采用提前剪断的方式，即在距离喷嘴口一定距离的位置下，对连续性碳纤维进行剪断处理，此种方式对模型成型过程无影响并容易实施，同时，由于提前剪断的方式，剪断点与喷嘴口存在距离，剪断后连续性碳纤维复合材料的顺利进料成为影响打印过程的重要因素。本文中对喷嘴进行以下3点优化设计：

（1）缩短材料的熔融区，熔融区过长会导致碳纤维复合材料软化并堵在喷嘴中；

（2）采用双加热棒的方式，缩短熔融区会影响复合材料的熔融状态，双加热的方式足使材料达到目标状态；

（3）在不干涩喷头结构的前提下，设计剪断点距离喷嘴最短，本文采用直径1mm的碳纤维复合材料，距离过长会导致材料弯曲而不能顺利进料。同样，打印过程也可以画出一个原理框图。并将打印头的设计和协调控制作为技术关键做一些介绍。

图2

2.3 路径跳转点处理方式

通常，期望在3D打印过程期间尽可能地减少跳跃点的量以保持连续性碳纤维复合材料的连续性。然而，在3D打印过程中，跳跃点仍然是不可避免的，特别是对于打印结构复杂的物体。当在打印期间出现跳跃点时，将提前执行​​切割动作以停止将材料供给到喷嘴中。以这种方式，当喷嘴向目标位置跳跃一段距离时，喷嘴将是空的，以避免在跳跃期间熔融材料从喷嘴落下。

复杂模型的打印路径如图3所示。可以看出打印路径上有七个跳跃点。为了实现上述操作，必须处理连续性碳纤维复合材料的打印跳转路径。

图3

对于复杂三维模型路径处理，必然有跳转点（G0）的存在，而由于碳纤维的连续性以及剪断点与喷嘴口距离（）的存在，需要对路G代码进行提前剪断处理。处理过程如下图所示：

图4

G1是指三维模型打印中的材料堆积过程，G0是指三维模型打印中的快速移动过程，是空程运动，即连续性碳纤维复合材料的跳转点所在，是指此点的打印位置，由于距离的存在，不能在跳转点处直接插入剪断点，需在距离跳转点前的位置处插入剪断点，是指打印机到此点已挤出的材料量，由于复合碳纤维材料的连续性，即已打印连续性碳纤维复合材料的长度.我们寻找跳转点的方法如下：先找到跳转点，然后以为起点，逐步往上找出与点挤出量差距为的点即为剪断点，在此点处 ，因此需在代码后插入剪断处理指令，完成了此点的剪断处理，以此类推，对所有跳转点进行剪断处理，最终完成整个三维模型的剪断处理。

2.4 关键打印参数设置

在连续性碳纤维复合材料打印过程中，为避免连续材料堆积或扯断的现象，需保证进料的速度与喷头移动的速度相同，本文中采用 CURA软件对路径进行规划处理，其内部的速度关系式如下：

喷头的挤出量关系式：

（1）

材料的进料量关系式：（2）

层高、喷嘴直径、喷嘴移动速度、打印时间、材料直径、进料速度、进料百分比，按照打印原理，而作为连续性碳纤维打印要求，得

（3）

打印的参数需按照以上公式进行设置。

3实验装置与原理

3.1材料制备

3.1.1材料制备装置

如下图所示为连续性碳纤维复合材料的制备装置，其过程是将2K碳纤维材料穿过装有热塑性树脂的加热腔，让树脂与长纤碳纤维进行混合，然后在导向轮以及卷料机的作用下再从另一侧拉出，形成长纤碳纤维复合材料。本文中采用的热塑性材料有PLA以及尼龙两种，研制的复合材料如图5 所示，熔融温度分别为200℃以及245℃，连续性碳纤维复

合材料直径为1.0mm，其中碳纤维含量为9.5%。

图5

3.1.2后处理试验

图6为对打印样件的后处理示意图，即把打印测试样件放置在一个245度的环境内对样件进行加压加温处理。

图6

3.2 3D打印装置

3.2.1实验装置

图7(a)为在FDM技术的基础上改进的适合连续性碳纤维复合材料的打印机，X、Y、Z轴运动结构实现空间的三维运动，然后在喷头结构挤出与剪断的合作协调下将复合材料堆积在工作平台上。其中喷头结构如图7(b)所示，进料结构提供动力，将复合材料送进加热的喷嘴处，在存在跳转点的路径中，剪断机构提前进行剪断，保证打印的顺利进行。喷嘴采用双加热棒加热的形式，可达到260℃的高温并可实现快速升温，节省打印等待时间。此实验中，PLA-碳纤维复合材料的打印温度为190℃，尼龙-碳纤维复合材料的打印温度为240℃。

图7

3D打印机的剪断构由剪断电机，同步轮，同步带和切割刀组成，如图8（a）所示。在同步轮和同步带的作用下，切割电机带动切刀旋转。当切割电机接收到来自打印机控制器的切割信号时，切割刀将以圆圈旋转以切割连续性碳纤维复合材料。切割前的切割机构的状态如图8（a）所示，切割后的状态如图8（b）所示。

图8

3.3性能测试

打印模型的机械性能可以通过定量评估碳纤维复合材料的增强效果。在本文中，实施了拉伸和三点弯曲测试以测量印刷样品的性能。制备两种样品，即PLA-碳纤维复合材料和尼龙-碳纤维复合材料的打印模型。鉴于尼龙-碳纤维复合材料未完全粘附的现象，需要通过增加温度和压力来进行后处理。

3.3.1拉伸试验

拉伸试验模型按照GB/T1040.1-2006设计打印，拉伸试验样品的尺寸图如图9（a）所示。样品长度为150mm，宽度为15mm，厚度为3mm，拉伸速度为5mm / min。连续性碳纤维复合材料在长度方向上紧密对齐。拉伸试验的印刷样品如图9（b）所示。

图9

3.3.2弯曲试验

弯曲试验时采用3点弯曲的形式，按照GB/T449:2005来进行实验的，用于三点弯曲试验的样品尺寸如图10（a）所示。长度80mm，宽度15mm，厚度5mm，弯曲速度5mm/min三点弯曲长度50mm，复合材料沿着样品的长度紧密排列并垂直于弯曲方向。印刷的样品如图10（b）所示。

图10

4 性能测试结果与分析

4.1 路径剪断打印测试

通过本节的实验验证了所提出的跳跃点切割方法。在该实验中，首先测试长度精度。使用配备有剪断机构和连续碳纤维复合材料的上述打印机，应该打印一个长度为50mm的简单样品

如图11所示，三个获得的样品的长度分别为50.5，50.8和50.7mm。它们的误差均小于2％，证明切削机构的精度能够在一定程度上满足产品的要求。接下来，使用法兰模型来验证所提出的方法。如图12（a）所示，法兰是带有四个孔的六边形。在打印过程中必须有一个跳跃点。并且切割点与实验装置的喷嘴之间的距离为15mm。因此，根据所提出的方法处理打印路径。如图3所示，1-7是对应于跳跃点的切割点。处理过的路径由3D打印机测试，最终打印样本如图12（b）所示。可以看出，切割点的位置与路径处理的结果一致，验证了切割算法的正确性。

图11

图12

4.1 PLA-碳纤维复合材料打印测试

图13所示为PLA材料与9.5%含量的连续性碳纤维混合打印的样件测试的拉伸强度与弯曲强度数值表，从表上可以看出，纯PLA打印的样件拉伸与弯曲强度分别为48.8MPa、76.06MP，与短碳纤维混合后的实验样件的强度提升到60.4MPa、86MPa，与连续性碳纤维混合打印后的样件拉伸强度与弯曲强度提升到148.7MPa、164.5MPa，分别提升了200.5%、116.3%，相比于短纤碳纤维混合效果，连续性碳纤维对PLA材料的性能提升很显著，短碳纤维在PLA内部是杂乱分布，并不能发挥碳纤维材料的优异性能，而连续性碳纤维以紧密排列的方式与PLA复合，很大的程度利用碳纤维材料的优良性质来提高混合材料的物理性能。

图13

4.2 尼龙-碳纤维复合材料打印测试

如图14所示，为尼龙材料与9.5%含量的长纤碳纤维混合打印的样件测试的拉伸强度与弯曲强度数值表，从表上可以看出，纯尼龙打印的样件拉伸与弯曲强度分别为27.4MPa、35.5MP,而与连续性碳纤维混合后的实验样件的强度提升到109.9MPa、41.66MPa，分别提升了301.1%、17.4%，可见，尼龙与连续性碳纤维混合打印提升的拉伸强度提升最大，而弯曲强度紧紧提升了17.4%。而经过后处理后的尼龙-碳纤维复合材料测试样件的强度提升到132.5MPa、118.3MPa，分别提升了383.6%、233.2%。说明加温加压处理对尼龙碳纤维复合材料的性能有很大的提升效果。

图14

图15为尼龙-碳纤维混合材料打印样件的弯曲应力-时间曲线，表5为PLA-碳纤维混合材料打印样件的弯曲应力-时间曲线，从表4中可以看出，曲线在达到破坏载荷前有3次跳转，而表5显示正常。

图15

图16

图16（a）所示为尼龙-碳纤维复合材料测试弯曲试验后的样件，样件并没有折断，而是在内部形成了3次层与层之间脱离的现象而导致弯曲强度降低，与应力-时间曲线相符，说明尼龙-碳纤维复合材料在打印过程中层与层之间

全文共10903字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[654]

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章