3D打印連續碳纖維增強熱塑性複合材料中的纖維錯位和斷裂

近些年，連續碳纖維增強複合材料由於(yu) 其具有諸如高比強度和高比剛度等優(you) 越的機械性能已經被越來越多地應用於(yu) 飛機機身和其他高端工業(ye) 產(chan) 品。對於(yu) 具有複雜幾何形狀的複合材料零件，可以在FDM工藝中根據性能要求鋪設纖維。但在FDM打印過程中，噴嘴牽引纖維轉向過程中可能會(hui) 出現一些缺陷，包括平麵外起皺、起泡、牽引向上拉和剪切效應。從(cong) 而進一步影響製件的機械性能。

針對此問題，英國愛丁堡大學的Haoqi Zhang等人通過打印不同轉角和曲率的連續碳纖維增強複合材料單條紋，研究了1K連續碳纖維長絲(si) 在FDM打印過程中的纖維錯位和斷裂的形成過程，並對缺陷的形成過程進行了分析。

不同轉向角的複合材料單條紋打印效果如圖1所示，當轉向角為(wei) 30°時，複合材料絲(si) 材被壓平，其中大多數連續纖維的實際轉向角一致。當轉向角增加到60°時，纖維束開始折疊，其中一些連續的纖維在從(cong) 外周翻轉到內(nei) 周。隨著打印轉向角繼續增大到120°時，可以在打印絲(si) 的轉向點處看到明顯的折疊，且在轉角處長絲(si) 的平均寬度減小，產(chan) 生了較大的無纖維區域。當轉向角為(wei) 150°和180°時，纖維嚴(yan) 重扭曲和錯位，並且觀察到有纖維斷裂。因此，在實際打印中，應盡可能避免使用轉向角大於(yu) 120°的打印路徑。

FDM工藝打印的不同轉角的碳纖維長絲(si) (a) 30° (b) 60° (c) 90° (d) 120° (e) 150° (f) 180°

不同曲率半徑的複合材料單條紋打印效果如圖2所示，對於(yu) 曲率半徑為(wei) 20mm的單條紋，未觀察到明顯的表麵缺陷，單條紋寬度沿打印方向大致一致。在直徑為(wei) 10毫米的情況下，長絲(si) 內(nei) 周的纖維會(hui) 扭曲和起皺。當達到5mm時，這兩(liang) 種缺陷出現的頻率更高。在曲率半徑為(wei) 2.5mm的情況下，單條條紋很難按設計的路徑打印，觀察到內(nei) 外周完全轉變的纖維折疊現象。此外，在曲率半徑為(wei) 5和2.5 mm的情況下，少量纖維斷裂。因此，在實際打印過程中，應盡可能避免使用曲率半徑小於(yu) 5mm的打印路徑。

FDM工藝打印的不同曲率半徑的碳纖維長絲(si)