供稿人：劉哲、高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2025-04-06
傳統(tǒng)材料擠出增材制造在制造高纖維效率的復(fù)合材料時面臨諸多挑戰(zhàn)，如纖維長度增加會導(dǎo)致噴嘴堵塞和打印質(zhì)量下降，纖維取向難以控制等。英國愛丁堡大學(xué)工程學(xué)院材料與工藝研究所研究了一種斜角進(jìn)料擠出系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以改善纖維的流動與分布，獲得較高纖維體積分?jǐn)?shù)的打印件，從而提升打印件的機(jī)械性能，且具有極高的打印精度。
該團(tuán)隊設(shè)計的斜角進(jìn)料擠出（AFE）系統(tǒng)技術(shù)原理是將打印機(jī)噴嘴傾斜45°，這一設(shè)計改變了纖維在擠出過程中的流動行為，減少了纖維與邊界壁的相互作用，降低了阻力，從而有效緩解甚至消除了打印過程中的堵塞問題，并且有助于保持纖維的取向和分布。CFD-DEM模擬結(jié)果顯示，45°噴嘴打印的纖維保持著更好的排列和分布，纖維取向良好，纖維所受平均力較小，變形程度也明顯低于傳統(tǒng)90°噴嘴。
圖1 3軸打印機(jī)上的AFE與5軸打印機(jī)上的AFE
AFE系統(tǒng)制造的碳纖維復(fù)合材料實現(xiàn)了高達(dá)3.8mm的纖維長度和30.3%的纖維體積分?jǐn)?shù)，這為研究纖維效率與復(fù)合材料性能之間的關(guān)系提供了理想的模型，有助于深入理解復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的聯(lián)系。AFE 系統(tǒng)制造的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和模量大幅提高，拉伸強(qiáng)度達(dá)到178MPa，模量為9.9GPa，與短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比有顯著提升，這為高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造提供了新的方法和途徑。
圖2 rCF-H 復(fù)合材料的 X 射線計算機(jī)斷層掃描成像
圖3打印試樣的拉伸性能：(a)打印試樣的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量；(b)打印試樣的代表性應(yīng)力-應(yīng)變曲線
本文展示了一種斜角進(jìn)料擠出（AFE）系統(tǒng)，大幅提高纖維長度，保證了纖維取向的規(guī)整，提高了打印質(zhì)量與精度，且打印產(chǎn)品的力學(xué)性能也得到了較大提升。高纖維體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料的成功打印為制造高纖維效率復(fù)合材料提供了可行的解決方案。