可控多材料3D打印與可調軟硬混合纖維增強熱塑性復合材料制造
基于材料擠出工藝的增材制造-3D打印技術在制造熱塑性復合材料方面表現(xiàn)出巨大的潛力。然而，可控多元熱塑性材料在生產基于材料擠出的可調軟硬雜化纖維增強熱塑性復合材料（CCFRTP-TSSH）中的應用尚未得到廣泛研究。
因此，來自浙江大學等機構的研究團隊提出了一種可控的多材料增材制造工藝，用于整合連續(xù)碳纖維 (CCF) 作為熱塑性結構的增強材料。本期谷.專欄，將分享這項研究成果的主要內容。
https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102836
研究背景
增材制造-3D打印是一種革命性的制造技術，受到了越來越多的關注。材料擠出是增材制造領域的一個重要分支，在多材料結構制造領域具有相當大的應用潛力。此外，基于材料擠出工藝的3D打印技術通常用于熱塑性材料增材制造，例如聚乳酸（PLA），丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯 、熱塑性聚氨酯(TPU) 和聚醚醚酮(PEEK)。
然而，在復雜的材料擠出過程中，由于工藝參數(shù)的沖突，3D打印零件的力學性能受到限制，需要額外的努力來提高產品的力學性能。目前，優(yōu)化工藝參數(shù)和采用增強材料是提高材料擠出3D打印制品力學性能的兩大途徑。
優(yōu)化工藝參數(shù)的研究主要集中在打印層的厚度 、沉積角度、沉積寬度、氣隙、構建方向和填充百分比 。然而，由于熱塑性樹脂的固有性質，基于工藝參數(shù)優(yōu)化對于機械性能改善相對受限。例如，現(xiàn)有研究表明，未經工藝參數(shù)優(yōu)化，材料擠出拉伸強度僅為固有材料的52% 。在最佳工藝參數(shù)下，材料擠出制品的拉伸強度達到樹脂本身的 72-95% 。
因此，為了獲得更高的強度，考慮到樹脂的固有局限性，另一個思路是將增強材料引入熱塑性樹脂中，例如短碳纖維、連續(xù)碳纖維 (CCF) 、連續(xù)玻璃纖維和Kevlar纖維 。與短纖維增強熱塑性復合材料相比，連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能。常用的連續(xù)碳纖維增強熱塑性材料包括PLA 、ABS、聚酰胺和PEEK等纖維增強材料。
目前，連續(xù)碳纖維增強復合材料的制造可以通過兩種方法實現(xiàn)：纖維和熱塑性材料的原位浸漬和纖維預浸料。前者在確保纖維和熱塑性材料之間的界面融合方面提出了挑戰(zhàn)，而后者由于纖維預浸料的制備而更加復雜。
此外，通過優(yōu)化工藝參數(shù)和纖維增強材料的組合方式，可以進一步提高材料擠出3D打印零件的機械性能，一些方法也可以在工業(yè)過程中得到應用。纖維長度高于關鍵纖維的短纖維增強熱塑性復合材料表現(xiàn)出良好的機械性能和可打印性，具有醫(yī)療和航空航天應用的潛力。有的研究提出一種碳纖維增強塑料/ABS/碳纖維增強塑料的三明治夾層結構，可將極限強度提高9倍，應用于制造無人機雙夾具。
同時，學術界和工業(yè)界都出現(xiàn)了新的需求，包括可穿戴設備領域的軟硬雜化復合材料。具體應用潛力例如，目前分別單獨生產的假肢接受腔內層和外層，就有望通過多材料擠出的3D打印技術進行直接制造。
目前，已報道的多材料擠出3D打印研究主要集中在兩種方法上：（i）單噴嘴擠出，其中各種熱塑性材料在噴嘴熔化區(qū)內混合，以及（ii）多噴嘴擠出，其中每種熱塑性材料被分配一個單獨的噴嘴。目前，單噴嘴擠出技術只能實現(xiàn)均質熱塑性材料的混色印刷或纖維增強功能。相比之下，多噴嘴擠出3D打印工藝減少了所需的構建時間，但遇到了其他挑戰(zhàn)，例如空閑噴嘴的熱塑性材料滲出問題。 這一問題已有一些改善措施，包括降低空閑噴嘴的溫度，縮回熱塑性絲材。然而，有研究指出，這些措施僅對空轉噴嘴的短行程移動有效，并且提出了清潔熱塑性材料的打印托架是最有效的方法之一。
盡管材料擠出3D打印在生產軟硬雜化復合材料方面表現(xiàn)出巨大的潛力，但它仍然面臨著幾個挑戰(zhàn)：（i）實現(xiàn)材料輸送的運動控制，（ii) 工藝參數(shù)選擇，包括層厚、噴嘴直徑、沉積速度、構建方向、溫度和材料比例。所有這些因素都會影響各種熱塑性材料之間的界面融合性能，從而導致最終產品的機械性能發(fā)生變化。有的研究工作揭示了噴嘴溫度、打印速度和附加因素對 TPU/ABS 界面強度的影響，并建立了基于界面溫度和多個打印參數(shù)變化的模型來預測 TPU/ABS界面結合強度。
在此背景下，浙江大學等機構的研究團隊所開展的研究旨在使用可控多材料增材制造技術制造可調節(jié)的軟硬雜化纖維增強熱塑性復合材料 (CCFRTP-TSSH)。
研究團隊基于材料擠出工藝開發(fā)了一種多材料擠出噴嘴，以同步實現(xiàn)連續(xù)碳纖維在幾種不同的熱塑性材料基質中的集成。研究團隊在不同的工藝參數(shù)下系統(tǒng)地研究和討論了制造的軟硬雜化纖維增強熱塑性復合材料（ CCFRTP-TSSH ）的機械性能，并制造了幾個組件以證明所提出方法的可行性。與傳統(tǒng)的制造技術相比，研究團隊所提出的方法允許通過僅在一個擠出噴嘴中在適當?shù)拇蛴囟认略蝗诤宪浻矡崴苄运芰蟻砜焖傩纬删哂薪Y構增強和可調軟硬混合的 CCFRTP-TSSH結構。
制造裝備與實驗
這項研究開發(fā)了一種具有四個擠出機的創(chuàng)新噴嘴系統(tǒng)，以實現(xiàn)對軟或硬熱塑性基體的擠出量的獨立控制。
論文圖1 可控多材料增材制造設備的示意圖和物理圖：(a) 新型噴嘴系統(tǒng)示意圖，(b) 多材料擠壓噴嘴，(c) CCFRTP-TSSH 打印示意圖，(d) 多材料擠壓噴嘴的等距視圖，(e ) 多材料擠出噴嘴截面圖，(f) 多材料擠出噴嘴仰視圖，(g) 增材制造設備示意圖，以及 (h) 增材制造設備物理圖。
機械性能
研究團隊通過3D打印純 PLA (pPLA)、PLA 混合 TPU (PLA/TPU) 和連續(xù)碳纖維增強PLA和TPU (CCFRTP-TSSH) 的樣品，研究了各種材料對力學性能的影響。
論文圖4 CCFRTP-TSSH的各種材料和工藝參數(shù)的拉伸試驗。(a)各種材料對CCFRTP-TSSH抗拉強度的影響， CCFRTP-TSSH在各種工藝參數(shù)下的抗拉強度：(b)噴嘴溫度（打印速度為420 mm/min，SRVR為0.66，層厚為0.7 mm), (c) SRVR。
層厚對于 CCFRTP-TSSH 試樣的彎曲強度至關重要，如圖 5 所示，這表明在各個方向上，隨著層厚的減小，彎曲強度逐漸增加。
論文圖 5 CCFRTP-TSSH在不同載荷方向下的抗彎強度。(a) PLA靠近萬能試驗機的上加載砧，(b) PLA 遠離萬能試驗機的上加載砧。
制造能力的演變
研究團隊通過制造薄壁空心圓柱體和薄壁空心圓臺等 CCFRTP-TSSH 3D打印組件，證明了所提出方法的可行性。
論文圖7 各種CCFRTP-TSSH組件的制造尺寸精度能力：（a）薄壁空心圓柱，（b）薄壁空心圓臺。
此外，還制造了一個復雜的旋轉工件，用于驗證可變層和壁厚的3D打印能力。
探索制造應用
隨著社會與科技的發(fā)展，學術界和工業(yè)界可穿戴產品提出了新要求，例如通過軟硬結合復合材料來制造這類產品，以及進行假肢接受腔內、外層材料的集成化制造。
研究團隊從制造方面開發(fā)了可穿戴完整流程，包括六個步驟：（i）新需求獲取（如承重、輕便、舒適），（ii）物體的三維激光掃描，（iii）表面重建，（iv）結構優(yōu)化設計，（如假肢接受腔），（v）機器人輔助集成制造，以及（vi）制成品的應用。
論文圖10 用于假肢接受腔的CCFRTP-TSSH組件，從需求到制造的完整過程。
總結
研究團隊通過分別采用熱塑性聚氨酯（TPU）和聚乳酸（PLA）作為軟硬材料，實現(xiàn)了結構增強和可調軟硬混合。
此外，這項研究基于3D打印噴嘴溫度、層厚度和支撐樹脂體積比 (SRVR) 等各種工藝參數(shù)，系統(tǒng)地研究和討論了 CCFRTP-TSSH材料試樣的力學性能。實驗結果表明，層厚對拉伸性能有顯著影響，其次是支撐樹脂體積比和噴嘴溫度，其中拉伸強度最高獲得的壓力為90.89MPa。
彎曲強度取決于層厚和樣件加載方向，最大彎曲強度為65.96 MPa。研究團隊使用掃描電子顯微鏡分析了支撐樹脂體積比對各種融合界面（例如 PLA/TPU、PLA/CCF 和 PLA/PLA）的影響，包括工藝參數(shù)對硬質和軟質樹脂壁厚的影響， 實現(xiàn)增強的可調軟硬雜化。
研究團隊通過以上方法制造了幾個不同的組件，包括薄壁空心圓柱體、圓臺和假肢接受腔，以證明所提出方法的可行性和準確性。這項研究提出了一種集成制造軟硬雜化復合材料的新方法，特別是在可穿戴設備領域。
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