3D打印亞麻纖維生物復合材料在結構應用中的前景
時間：2019-07-24 09:58 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
在“用于結構應用的連續亞麻纖維增強生物復合材料的3D打印”的研究中，作者A Le Duigou，A。Barbé，E。Guillou和M. Castro等人對在PLA等長絲的3D打印中使用亞麻等天然材料越來越感興趣。
研究人員以FDM 3D打印為研究對象，通過加入連續亞麻纖維/聚乳酸（CFF/PLA）復合長絲，制備出力學性能最佳的生物復合材料。他們創造了一種定制的擠出技術，用于復合材料，作者稱，該技術“證明了紗線在橫截面內的均勻分布，而扭曲的亞麻紗則導致中尺度的富纖維區域。”研究小組對用亞麻制造一種新的復合材料很感興趣，因為它的力學性能“很有前途”-通常很難找到所需的所有合適的品質。他們解釋說，許多生物復合材料今天很受歡迎，但在使用許多不同的天然纖維時，其力學性能仍然不太合適。
研究人員說：“CFF/PLA的拉伸模量和強度值超過了目前唯一公布的連續天然纖維打印復合材料的拉伸模量和強度值的4.5倍以上。”“拉伸性能與連續玻璃纖維/聚酰胺(PA)打印復合材料的拉伸性能相同，為生物復合材料在結構應用中的應用鋪平了道路。其最弱之處在于其橫向性能仍比類似的亞麻/PLA熱壓縮復合材料差。”
其他纖維復合材料如玻璃、碳和芳綸也正在研究中，以提高3D打印性能，因為材料被“浸漬”以產生更好的結構。使用現場定制的Prusa i3 3D打印機，一個控制風扇旋轉的Arduino卡，以及Simplify 3D軟件，研究人員創建了一些可以進行評估的樣本，并與之前的研究結果進行了比較。生產連續亞麻/PLA長絲的擠出工藝參數
作為一種紗線，亞麻是紡織品應用中復合材料的明顯選擇——可以提高織造強度。然而，作者指出，在“扭曲的結構”中觀察到纖維束，影響了孔隙率和整體微觀結構。“此外，亞麻紗線顯示出與長絲中心的偏差，這似乎是由于共擠出頭造成的。實際上，在共擠出過程中，聚合物流向垂直于亞麻紗，這導致其定位在長絲的邊緣。”作者說。
“試驗結果表明，長絲內纖維體積含量超過35％，導致難以獲得高質量的打印樣品。因此，在目前的工作中，所開發的cFF/PLA長絲含有較低的體積分數，為30.4±0.8％（wf≈34.5％），這接近商用高性能碳/聚酰胺長絲。印花長絲不影響纖維含量，因此cFF/PLA生物復合材料的纖維含量與長絲相似。”
與以下方面相比，縱向性能得到改善：
·純PLA（剛度為×7，強度為×4.5）
·不連續天然纖維增強3D打印生物復合材料（剛度為×11，強度為×10）
·連續黃麻/PLA打印生物復合材料的可用數據（剛度為×4.5，強度為×4.5）
研究人員認為，這些特性可以通過亞麻固有的更高機械性能，更高的纖維紗線高寬比，以及更好的纖維含量和整體均勻性來解釋。
“非線性拉伸行為是天然纖維單向復合材料的典型特征，其性能與熱壓縮，VARTM和AFP制造的長亞麻纖維復合材料以及商業3D打印機生產的連續玻璃/ PA復合材料相媲美。如此高的測量性能為結構應用開辟了3D打印生物復合材料，“研究人員總結道。“cFF/PLA打印復合材料的最弱之處是它們的橫向性能仍然低于類似的亞麻/ PLA熱壓縮復合材料。在拉伸試驗中觀察到的損傷機理與在長絲展開的連續合成纖維/聚合物打印復合材料中觀察到的相似。
研究人員以FDM 3D打印為研究對象，通過加入連續亞麻纖維/聚乳酸（CFF/PLA）復合長絲，制備出力學性能最佳的生物復合材料。他們創造了一種定制的擠出技術，用于復合材料，作者稱，該技術“證明了紗線在橫截面內的均勻分布，而扭曲的亞麻紗則導致中尺度的富纖維區域。”研究小組對用亞麻制造一種新的復合材料很感興趣，因為它的力學性能“很有前途”-通常很難找到所需的所有合適的品質。他們解釋說，許多生物復合材料今天很受歡迎，但在使用許多不同的天然纖維時，其力學性能仍然不太合適。
研究人員說：“CFF/PLA的拉伸模量和強度值超過了目前唯一公布的連續天然纖維打印復合材料的拉伸模量和強度值的4.5倍以上。”“拉伸性能與連續玻璃纖維/聚酰胺(PA)打印復合材料的拉伸性能相同，為生物復合材料在結構應用中的應用鋪平了道路。其最弱之處在于其橫向性能仍比類似的亞麻/PLA熱壓縮復合材料差。”
其他纖維復合材料如玻璃、碳和芳綸也正在研究中，以提高3D打印性能，因為材料被“浸漬”以產生更好的結構。使用現場定制的Prusa i3 3D打印機，一個控制風扇旋轉的Arduino卡，以及Simplify 3D軟件，研究人員創建了一些可以進行評估的樣本，并與之前的研究結果進行了比較。生產連續亞麻/PLA長絲的擠出工藝參數
作為一種紗線，亞麻是紡織品應用中復合材料的明顯選擇——可以提高織造強度。然而，作者指出，在“扭曲的結構”中觀察到纖維束，影響了孔隙率和整體微觀結構。“此外，亞麻紗線顯示出與長絲中心的偏差，這似乎是由于共擠出頭造成的。實際上，在共擠出過程中，聚合物流向垂直于亞麻紗，這導致其定位在長絲的邊緣。”作者說。
“試驗結果表明，長絲內纖維體積含量超過35％，導致難以獲得高質量的打印樣品。因此，在目前的工作中，所開發的cFF/PLA長絲含有較低的體積分數，為30.4±0.8％（wf≈34.5％），這接近商用高性能碳/聚酰胺長絲。印花長絲不影響纖維含量，因此cFF/PLA生物復合材料的纖維含量與長絲相似。”
與以下方面相比，縱向性能得到改善：
·純PLA（剛度為×7，強度為×4.5）
·不連續天然纖維增強3D打印生物復合材料（剛度為×11，強度為×10）
·連續黃麻/PLA打印生物復合材料的可用數據（剛度為×4.5，強度為×4.5）
研究人員認為，這些特性可以通過亞麻固有的更高機械性能，更高的纖維紗線高寬比，以及更好的纖維含量和整體均勻性來解釋。
“非線性拉伸行為是天然纖維單向復合材料的典型特征，其性能與熱壓縮，VARTM和AFP制造的長亞麻纖維復合材料以及商業3D打印機生產的連續玻璃/ PA復合材料相媲美。如此高的測量性能為結構應用開辟了3D打印生物復合材料，“研究人員總結道。“cFF/PLA打印復合材料的最弱之處是它們的橫向性能仍然低于類似的亞麻/ PLA熱壓縮復合材料。在拉伸試驗中觀察到的損傷機理與在長絲展開的連續合成纖維/聚合物打印復合材料中觀察到的相似。
（a）連續亞麻纖維/ PLA（cFF/PLA）長絲的微觀結構；（b）未經測試的cFF/PLA樣品橫截面的SEM顯微照片；（c）橫向打印的cFF/PLA（90°）；（d）cFF/PLA縱向打印（0°）。面板d的細節顯示（e）環重疊和（f）規則環。
在過去幾年中，與3D打印相關的材料科學已經取得了長足的進步。雖然桌面機用戶的普及程度不斷提高，研究人員和工業制造商繼續使用像PLA這樣的燈絲，但現在正在用各種其他材料如石墨烯、連續纖維甚至木材來制造復合材料。
（a）縱向；（b）cFF/PLA打印部件的橫向斷裂的宏觀圖像；（c）cFF/PLA打印部件的縱向橫向斷裂；（d）cFF/PLA打印部件的橫向斷裂的SEM顯微照片。白色箭頭證明纖維束剝離和基質失效。
(責任編輯：admin)
最新報告：全球3D打印醫療
粘結劑噴射3D打印廠商峰華
一文看懂醫療3D打印分類（
江蘇威拉里今年Q1營收破1
VoxelMatters最新報告：金
AM Research報告：3D打印最新內容
中南大學在增材制
美國應用科學技術
2023年美國3D打印
淺談3D打印技術的
據SmarTech評估，熱點內容
