面向 3D 打印的连续碳纤维复合材料：热历程优化路径与多尺度结构 - 性能关联分析

2024 年，期刊《 Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 》发表了连续碳纤维增强复合材料（ CFRC ）的工艺参数、热历程和力学性能关系的论文，论文标题为 《 Thermal history and multi - scale analyses of 3D - printed continuous carbon fibre composites 》。 背景意义 为了更好地理解工艺参数与树脂流动之间的关系，理论建模和仿真是一种有效的方法。往期研究的重点是建立工艺参数与熔丝制造（ FFF ）的 CFRC 的机械性能之间的数学关系，但针对完整结构件打印的模拟仍然很少。此外，在没有阐明热历程和界面特性的前提下直接得出工艺参数和性能之间的联系，可能无法从制造过程的角度全面了解它们的耦合效应。因此，本研究目的是建立工艺参数、热历程与连续碳纤维增强复合材料力学性能之间的联系。内容简介

原料是用热固性环氧树脂预浸渍的 1.5k CCF 束，其中纤维束中的纤维体积比为 60% 。选择热塑性聚对苯二甲酸乙二醇（ PET - G ）来涂覆纤维束复合长丝。图 1A 为不同喷嘴温度下第一层中指定位置的温度曲线， 图中波状变化是由来自新沉积的上层邻居的热流引起的，最后 可以看出本文的数值预测与实验结果在模式和趋势方面存在相当大的一致性。图 1B 可以看出曲线内的温度从设定点温度开始急剧下降，恢复到打印床温度，表明热传递与打印速度无关。随着材料从喷嘴挤出，加热的峰值随着打印速度增加而减小，这是由于材料加热时间变少。图 1C 可以看出随着层厚的增加，单位时间内挤出的复合材料体积也逐渐增加。因此，二次再热温度的峰值会随着层厚的增加而逐渐降低。根据结果可以观察到，打印速度和层厚对热历程的影响比喷嘴温度更显著。打印速度显著影响再加热的峰值，而层厚显著影响冷却速率。图 1. (A) 不同喷嘴温度下温度分布的实验和数值结果 ;(B) 不同速度下和 (C) 不同层厚下温度分布的数值模拟结果图 2 为不同工艺参数组合下打印形貌的横截面以及相应空隙含量测量结果。图 2A 黑线表示空隙含量与喷嘴温度之间的关系，红线表示空隙含量与打印速度之间的关系。如图 2B 、 D 和 E 所示，随着喷嘴温度从 210 ° C 升高到 250 ° C ，空隙含量从 4.843% 下降到 3.550% 。归因于三个主要原因：较高的喷嘴温度降低了挤出树脂的粘度，使树脂更容易流入细丝之间的间隙；喷嘴温度升高使树脂能够更长时间地保持熔融状态，增加其填充空隙的时间；高喷嘴温度促进了相邻沉积树脂的重熔，这些树脂将恢复流动以继续填充相邻的空隙。

图 2. （ A ）不同工艺参数下的空隙含量和（ B - G ）打印形貌的相应横截面如图 2B 、 F 和 G 所示，随着打印速度从 2.5 mm/s 提高到 10 mm/s ，空隙含量从 5.009% 降低到 2.797% 。这种现象可以归因于两个主要原因：在高打印速度下，熔融树脂的热量难以有效地传递到先前沉积的树脂上，从而导致重熔的树脂减少，因此挤压变弱，如图 3 所示在高打印速度下，新沉积的丝材会更轻地挤压前一层（第一层），与低打印速度相比，降低了第二层高度，导致其横向流动以填充空隙；剪切速率随着打印速度的提高而增加，这会导致熔融树脂粘度降低，从而更容易横向流动并填充空隙。

图 3. (A) 在不同打印速度下前一层的挤压尺寸 ; （ B ）在低和高打印速度下沉积的丝材图图 4 为整体打印形态（图 9A ）和典型丝材形状阶段的局部横截面（图 4B - F ）模拟可视化。当熔融树脂从喷嘴流出时，由于树脂挤出速度和喷嘴压力，它扩散到打印路径的两侧。此外，由于挤出速度和重力的共同作用，导致沉积后形成顶部较窄、底部较宽的丝材形状，导致其最宽部分的宽度超过设定的舱口间距（如图 4D 所示），由于先前沉积的丝材侵占了空间，新沉积的树脂只能流向没有沉积丝材的一侧，如图 4B 和 E 所示,这导致整层丝材偏离设计位置，并且随着打印的继续，这种偏移误差会逐渐累积，从而对打印部件的几何精度和空隙控制产生负面影响。

图 4. （ A ）打印形态和（ B - F ）丝材形状的典型阶段：（ B ）打印部件的横截面 ; （ C ）第一沉积丝材流线 ; （ D ）不受其他丝材影响的理想轮廓和实际轮廓 ; （ E ）新沉积的丝材流线 ; （ F ）挤压效应说明 主要结果

（ 1 ）通过建模和分析，观察到适当提高喷嘴温度可以增强沉积树脂的 流动性和 流动时间，促进与先前沉积的丝材的界面结合，减少打印过程中的空隙。与喷嘴温度相比，打印速度和层厚对再热峰值和冷却时间有显著影响。（ 2 ）由于工艺参数对树脂速度和流动性的影响，实际舱口间距和层厚偏离设计值。由这些偏差引起的孔隙率和微观结构会随着每个打印层而累积，从而对最终结构的尺寸、表面精度和缺陷控制产生负面影响。