供稿人：張倍寧、李滌塵 供稿單位：西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室 發(fā)布日期：2025-04-12
基于螺桿的材料擠出3D打印技術通過在打印頭內混合材料，為制造具有組件梯度的纖維增強復合材料提供了潛力。但是，在有限的熔腔內，混合高纖維含量的復合材料并快速改變組分是一個挑戰(zhàn)。該研究設計了一種原位可變組分的螺桿打印頭，并通過在8、12和16毫米直徑的擠出螺桿上增加不同形狀的銷釘，提高了混合效率。通過計算流體動力學模擬優(yōu)化了螺桿結構，改善了混合效率。該研究提供了一種新的制造變組分纖維增強復合材料的打印方法。
(a)變組分打印頭的剖面圖示意圖(b)無混合銷釘和有混合銷釘的擠出螺桿結構
圖1 變組分打印頭和擠出螺桿
該研究設計的一種基于螺桿的變組分材料擠出3D打印頭原理如圖1(a)所示。40 wt %短碳纖維增強聚醚醚酮（SCF/PEEK）和純PEEK粉末從兩側分別被送入打印頭，并通過擠出螺桿熔融擠出。通過調控兩側送料的比例，可以實現碳纖維含量的原位變化和連續(xù)變組分部件的打印。擠出螺桿是打印頭的關鍵部件，其傳遞，混合和熔化原材料。擠出螺桿的末端設計有均勻分布的銷釘，以促進混合效率，如圖1(b)所示。
(a-c)各螺桿混合度 (d-f)死區(qū)體積
圖2 8、12、16mm直徑螺絲的混合度和死區(qū)體積
該研究使用Ansys對銷釘的形狀和體積進行CFD模擬優(yōu)化。為簡化計算模型，只考慮了螺桿末端混合區(qū)的熔融流動。采用網格疊加技術(MST）用旋轉邊界模擬三維流動，并建立了粒子跟蹤模型計算粒子的運動來評估混合能力。將1000個粒子在進口處釋放，統(tǒng)計所有粒子在出口處的分布指數來量化螺桿的混合度。計算結果如圖2(a-c)所示，增加銷釘明顯改善了螺桿的混合能力；但如圖2(d-f)所示，增加銷釘也一定程度上增加了死區(qū)體積。
(a)直徑為12和16毫米的變組分樣品(b)碳纖維含量隨z軸相對坐標的變化(c)組分變化的響應體積
圖3 不同螺桿的可變組分部件3D打印結果
通過實驗驗證了直徑12mm和16mm的帶銷釘螺桿的變組分打印能力。變組分打印樣品如圖3(a)所示。圖3(b)顯示了打印樣品中CF含量隨Z軸相對坐標的變化，以及與設計預期的對比。圖3(c)量化了兩個螺桿打印樣品中的組分變化相應速率，可以看出相比于16mm螺桿，直徑為12mm的螺桿表現出更快的變組分相應。
在該研究中，對基于螺桿的SCF/PEEK原位混合3D打印頭進行了設計和優(yōu)化，提出了一種新的制造具有連續(xù)組分梯度復合材料的方法。通過添加優(yōu)化設計的銷釘，相比純螺桿，混合效率最高提升了50%。通過縮小螺桿直徑和增加銷釘，可以將變組分響應速率大大提高。