美国密歇根州陆军坦克、汽车研究开发和工程中心(TARDEC)的三位研究人员最近发表了一项名为“通过熔融长丝制造连续纤维增强复合材料表征”的研究,该研究用于连续碳在Mark Two 3D打印机上打印纤维增强热塑性复合材料部件。

美国陆军表征连续3D打印碳纤维增强热塑性复合材料零件-复合材料网

研究人员表示:“目前的工作重点是通过连续长丝制造(CFF)连续纤维增强样品的拉伸性能。在有和没有连续碳纤维增强的情况下,在多个方向上测试样品。当将0⁰碳纤维增强试样与没有连续增强的试样进行比较时,平均屈服强度,拉伸强度和弹性模量分别增加20倍,15倍和240倍。当将具有90⁰取向连续增强的试样的结果与0⁰试样进行比较时,屈服强度下降60%,拉伸强度下降62%,弹性模量下降52%。这些结果表明,当垂直于纤维取向施加载荷时,机械性能明显降低。通过垂直竖立在印刷床上的印刷样品测试相邻层之间的粘合性。这些样本的所有样本的强度最低。作者建议按照ASTM D3039-17使用带有粘接片的矩形样品进行测试,以减少样本遇到的纤维排列问题。“

美国陆军表征连续3D打印碳纤维增强热塑性复合材料零件-复合材料网

由于大多数3D打印部件是自下而上构建的,因此平面外材料特性比平面内部特性要弱。当连续纤维发生面内印刷时,完成的部件可以具有增加的刚度和面内强度,但是研究人员并不清楚连续纤维增强件如何影响制造部件的机械各向异性。

“为了让设计工程师在结构应用中使用连续纤维增强AM部件,他们将需要这些材料的三维机械性能,”研究人员解释说。研究人员在他们的研究中使用了Markforged的尼龙基热塑性Onyx,以及涂有粘合剂材料的连续碳纤维丝束,以及3D打印的几个试样,以便更好地了解连续碳纤维对多少影响:

•第1组:Onyx(平面内,尼龙/碳塑料):ID#1-1,1-2,1-3

•第2组:0⁰纤维(面内,对齐的碳纤维):: ID#2-1,2-2,2-3

•第3组:90⁰纤维(面内,垂直于碳纤维):ID#3-1,3-2,3-3

•第4组:z方向(平面外,垂直于碳纤维):ID#4-1,4-2,4-3

为了使分析更容易,该团队仅测试了具有单向纤维取向的样品。第一组中的纯Onyx样品厚度为1.8 mm用作基线,而第2组的0°样品在屋顶和地板上有两个0.125 mm的Onyx层,侧壁上有两个Onyx层,其余部分填充碳纤维,“拉伸方向纵向拉伸,进行拉伸试验”。“附加试样3-1,3-2和3-3印有垂直于拉伸拉伸方向取向的纤维。这些标本在屋顶,地板和墙壁上的厚度与前一组标本相同,“研究人员解释说。 “值得注意的是,对于这些样品,由于纤维的取向垂直于拉伸方向,因此打印头必须在测量部分内转角,因此,测量部分内的纤维取向不是完全单向的。”

第4组样品垂直3D打印,并测试纤维增强层之间的粘合性评估。然后,研究人员对Onyx样品进行了热重分析(TGA)和傅里叶变换红外(FTIR)分析,以便更好地了解材料的热特性;还进行了拉伸试验,直到样品完全失效。“当将0⁰碳纤维增强样品与纯on玛瑙样品进行比较时,机械性能增加了几个数量级,”研究人员解释说。 “例如,平均屈服强度,拉伸强度和弹性模量分别增加20倍,15倍和240倍。当比较纤维增强样品与Onyx材料的机械性能时,机械性能的显着改善与传统的层压复合材料一致,其中单向样品的强度和刚度比均质环氧垫高几个数量级。