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3D打印具有自監(jiān)測能力的連續(xù)碳纖維增強熱塑性晶格桁架夾層結構

供稿人:康友偉、田小永 供稿單位:西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室  發(fā)布日期:2021-06-28

晶格桁架夾層結構(LTSS)是由外表面的兩個面片和內部陣列分布的桁架夾芯組成的,具有比強度和比剛度高的特點,以及優(yōu)異的主動冷卻、能量吸收和微波吸收等性能,在汽車和航空航天工業(yè)中得到了廣泛的應用。LTSS可以由不同材料制得,包括金屬、陶瓷、聚合物和復合材料,金屬和陶瓷較重,聚合物材料力學性能較差,因此纖維增強復合材料得到了越來越多的關注。傳統的LTSS制造技術需要復雜的模具和較長的加工時間,而浙江大學的研究團隊提出了一種將FDM打印技術和懸掛3D打印相結合的新型雙噴頭打印方法,利用連續(xù)碳纖維增強熱塑性復合材料制造LTSS,克服了傳統技術的不足,同時還利用碳纖維的電學性能,實現了智能監(jiān)測。

具體的制造方法見圖1,研究人員設計了一種新型的雙噴頭3D打印系統,打印頭1利用純材料,打印LTSS的兩個面片,打印頭2利用連續(xù)碳纖維增強熱塑性復合材料,打印LTSS的桁架夾芯。其中打印桁架夾芯是重難點,研究人員將打印路徑分為四個階段,分別調整樹脂與纖維的比例、運動停留時間、路徑修正方法等,以實現良好的打印效果。

圖1 制造方法示意圖:(a)LTSS的制作流程,(b)桁架夾芯的制作流程

研究人員還做了LTSS的力學性能和基于電阻的自監(jiān)測性能的實驗,分析不同桁架傾角的性能差異。從打印角度、桁架支柱直徑、桁架高度三個方面評估了打印精度,通過應力-應變曲線分析了LTSS的力學性能,通過如圖2所示的試件,測試了電阻隨應力的變化關系,結果顯示電阻對應力的響應是一致的和可重復的,表明所制造的LTSS具有應力動態(tài)自監(jiān)測能力。

圖2 試件準備:(a)制作的LTSS試件,(b)LTSS自監(jiān)測電阻測量示意圖

參考文獻:

  1. Zhenwei Wang, Congcong Luan, Guangxin Liao, Xinhua Yao, Jianzhong Fu. Mechanical and self-monitoring behaviors of 3D printing smart continuous carbon fiber-thermoplastic lattice truss sandwich structure[J]. Composites Part B, 2019.
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