|
增材制造(3D打印)连续纤维增强热塑性树脂基复合材料具有许多优点，如可定制性和构造复杂形状，因此它们在航空航天和其他工程领域具有独特的优势。3D打印复杂复合9材料的实现、制造工艺分析和多尺度力学分析对行业未来发展至关重要。然而，目前对连续纤维增强热塑性织物复合材料(CFRTPFCs)的3D打印制造及其全解决分析模型的研究尚不多见。2022年，《Composites
Science and
Technology》期刊发表了重庆大学和清华大学在3D打印热塑性织物复合材料的新型可设计策略及多尺度分析方面的研究工作，论文标题为“Novel
designable strategy and multi-scale analysis of 3D printed
thermoplastic fabric composites”。 
文章提出了一种控制CFRTPFCs多喷嘴交替移动的3D打印方法。采用综合考虑熔融-渗透-冷却-沉积制造过程的流固耦合多尺度分析方法，模拟了3D打印CFRTPFCs的力学行为。这项工作将对3D打印CFRTPFCs的设计优化和性能评估发挥重要作用。
图1CFRTPFCs3D打印工艺原理图：(a)
3D打印机；(b)3D打印CFRTPFCs经纬纤维束的喷嘴移动路径 
图2纤维体积分数分别为40%、50%和60%的纤维束的RVE
图3CFRTPFCs力学分析的数值模型：(a)3D打印制造的2D平纹织物复合材料；(b)
3D打印制造的2D斜纹2.2织物复合材料；(c)
RTM制造的2D织物复合材料；(d)
RTM制造的2D斜纹2.2复合材料 图4显示了3D打印CFRTPFCs在不同阶段的形貌。开始时，喷嘴沿Z轴向正方向运动。由于热塑性树脂的固化收缩和重力作用，固化材料的体积将减少3.18%，长轴将缩小5.97%，短轴将变大2.97%。复合材料的整体体积收缩是由热塑性树脂的温度变化和固化引起的。因此，固化材料的长轴变窄。此外，由于树脂的表面张力，固化过程中会发生聚集，因此固化材料的短轴变大。在走过一个喷头的宽度后，这个喷嘴停止移动，另一个喷嘴上升到一个喷头的高度，并开始沿着X轴的正方向工作。因此，高温混合物被涂覆在已凝固的材料上。新注入的熔融树脂熔化周围的树脂，然后再冷却共固化。喷嘴经过喷头的宽度后，沿喷头的高度向下，并沿X轴正方向继续前进。在再次穿过一个喷头之后，这个喷嘴停止移动，而另一个喷嘴开始运动。类推，多个喷嘴交替上升、下降、不同方向移动，最终形成普通的CFRTPFCs。根据3D打印路径，可以看到在CFRTPFCs中存在树脂未渗透的区域。同样，3D打印斜纹2.2
CFRTPFCs可以通过交替移动喷嘴来制造。
RVE在不同方向外力作用下的损伤分布如图5所示。可以观察到，当RVE受到侧向力的作用时，损伤首先发生在纤维与树脂之间的界面上，并沿着该界面在树脂上产生裂纹。如果RVE受到纵向力的作用，损伤首先发生在树脂上，并逐渐延伸到纤维和树脂之间的界面。
图5纤维体积分数分别为40%、50%和60%的RVE的损伤分布图6显示了CFRTPFCs在拉伸、面内剪切和面外剪切作用下的损伤分布。结果发现，复合材料最脆弱的位置是在纱线的转弯区域，因为应力的集中最有可能发生在这里。
图63D打印CFRTPFC的损伤分布：(A)B1（普通织物）的拉伸；(B)B1的平面内剪切；(C)B1的面外剪切；(D)B8的拉伸（斜纹2.2打印方法）；(E)B8的平面内剪切；(F)B8的面外剪切 从图7
(a)中可以看出，通过减小两个平行纱束之间的距离，可以减小织物的总厚度。采用平纹织造方式，3D打印技术的空间利用率将会提高。另一方面，纤维束的纤维体积分数对普通碳纤维未浸润体积分数影响不大，但对整体碳纤维体积含量有影响。为了提高3D打印复合材料的强度，必须减小未渗透区域的体积分数。调整喷头长宽比例，形貌如图7
(b)所示。我们发现，增大喷头的展弦比可以提高树脂的浸润程度，增强径向纱束与纬向纱束之间的附着力。而当喷头纵横比达到10:1时，未渗透面积减小到17.51%，在织物材料中实现了更高的空间利用率。可见，喷头纵横比对织物复合材料的空间利用率影响最大。
RTM复合材料和三维打印CFRTPFCs的损伤分布如图8所示。由于3D打印中不可避免地存在制造缺陷，通过3D打印获得的CFRTPFCs的模量和强度都小于RTM方法。
图8RTM
CFRTPFCs的损伤分布：(A)RTM-B1的拉伸；(B)RTM-B1的面内剪切；(C)RTM-B1的面外剪切；(D)RTM-B8的拉伸；(E)RTM-B8的面内剪切；(F)RTM-B8的面外剪切（1）提出了基于多喷嘴、多步骤的FDM方法的CFRTPFCs3D打印方法和新型可设计策略。 （2）建立了三维打印过程中形成过程的理论模型，建立了综合考虑熔融-渗透-冷却-沉积过程的三维打印CFRTPFCs的液-固耦合多尺度分析模型。 （3）讨论了影响三维打印CFRTPFCs力学性能的因素。可以发现，通过减少两个平行纱束之间的距离，可以减少织物的总厚度，而降低喷头的长宽比，可以提高复合材料的空间利用率和强度。 （4）由于3D打印中存在未被树脂湿润的，这会产生宏观缺陷，故3D打印获得的CFRTPFCs的模量和强度都小于RTM方法。但由于3D打印复合材料的高效性和制备方便性，仍具有独特的应用前景。 原始文献 Yutong
Fu, Yan Kan, Xin Fan, Shanyong Xuan, Xuefeng Yao，Novel
designable strategy and multi-scale analysis of 3D printed
thermoplastic fabric composites, Composites Science and Technology
222 (2022) 109388, https://doi. org/10.1016/j.compscitech.2022.109388.
|
