|
3D打印技术为连续纤维增强热塑性复合材料的制造提供了新途径，然而，这类材料的机械性能和冲击性能受制备工艺、纤维排列和材料界面等多重因素影响。目前，关于3D打印连续纤维增强热塑性复合材料织物（continuous fiber reinforced thermoplastic orthogonal fabric，简称CFTPOF）的研究主要集中在制备工艺优化上，而对其机械性能和冲击性能的深入研究相对较少。此外，现有的数值分析模型难以准确预测这些材料的复杂力学行为。 近日，《Additive Manufacturing》期刊发表了重庆大学航空航天工程学院、北京理工大学先进结构技术研究所和北京理工大学轻质多功能复合材料与结构北京市重点实验室在3D打印连续纤维增强热塑性正交织物复合材料能量吸收的多尺度耦合分析方面研究。文章旨在通过多尺度耦合分析方法，深入研究3D打印CFTPOF复合材料的机械性能和冲击性能。论文标题为“Multiscale coupling analysis of energy absorption in 3D printed continuous fiber reinforced thermoplastic orthogonal fabric composites ”。
文章聚焦于3D打印CFTPOF复合材料的制备、形态模拟和力学性能分析。通过高温熔融树脂注入和交替沉积法制备了复合材料，并利用商业软件对打印过程进行了模拟。
图 1. CFTPOF 复合材料的交替沉积方法
该研究探讨了3D打印连续纤维增强热塑性正交织物复合材料（3D打印CFTPOF复合材料）在制备过程中的物理和化学变化。研究团队采用了高温熔融树脂注入和交替沉积法制备了复合材料样品。其中，T300连续碳纤维被选作增强材料，而ABS树脂则作为基体材料。并严格控制了工艺参数，以确保复合材料的质量和性能。同时，还对各种实验条件下的复合材料进行了详细的性能测试和表征，包括力学性能、热稳定性、微观结构等。
为了更准确地预测3D打印CFTPOF复合材料的力学性能，该研究提出了一种耦合多尺度方法（3DP-MS方法）。在该方法中，建立了代表性体积元素（Y-RVE）模型，通过有限元分析等方法获得了打印纱线的等效力学参数。并在细观尺度上提出了局部均质化方法，建立了等效纱线子单元（EY子单元）和等效层间粘聚接触子单元（EICC子单元），以描述纱线的重叠、悬挂和层间粘结等现象。此外，还在宏观尺度上，利用EY子单元和EICC子单元建立了复合材料的等效宏观模型，并对其进行了力学性能测试和模拟。
研究者对实验数据和模拟结果进行了深入的分析和比较，对其内部结构和损伤机理进行了详细的研究。通过这些分析，揭示了3D打印CFTPOF复合材料的力学性能和损伤行为，为该类材料的优化设计和应用提供了重要的参考依据。
研究结果显示，层间接触是复合材料中最薄弱的区域，模型M3在相同外力作用下最易失效。低速冲击模拟表明，损伤程度和分层覆盖面积大于纤维断裂损伤，纬纱比经纱承受更多损伤。此外，研究发现，增加垂直纱线不仅可以减少细观缺陷，还能增强复合材料的稳定性。纱线数量对能量吸收有显著影响，其存在有助于复合材料密实化。 该研究通过多尺度耦合分析方法深入探讨了3D打印CFTPOF复合材料的机械性能和冲击性能。研究不仅揭示了复合材料的损伤机制和能量吸收特性，还强调了纱线排列和界面粘结对性能优化的重要性。这些发现为3D打印复合材料的结构设计和性能优化提供了有力支持。 Yutong Fu, Yifeng Dong,Multiscale coupling analysis of energy absorption in 3D printed continuous fiber reinforced thermoplastic orthogonal fabric composites,Additive Manufacturing,Volume 84,2024,104084, https:///10.1016/j.addma.2024.104084. |
|
|
