连续碳纤维形状记忆复合材料改善3D打印力学性能研究

来源：中国复合材料学会

研究人员Yongsan An和Woon-Ryeol Yu通过研究替代材料进行3D打印改进探索，在最近发表的《连续碳纤维增强形状记忆聚合物复合材料的3D打印》中，作者讨论了困扰许多工业用户的机械性能的挑战。

热塑性塑料&热固性塑料

　　在这项研究中，他们在FDM 3D打印中尝试使用连续碳纤维增强形状记忆聚合物复合材料（SMPC）——热塑性塑料和热固性塑料。

连续纤维增强聚合物复合材料，短纤维增强聚合物复合材料和FDM制备的聚合物基体的力学性能。

　　对参数进行了测试，并打印了样品，研究人员更多地了解了SMP等智能材料的优点和局限性——能够随环境变化，然后又恢复回正常形状。这种类型的材料与4D材料相近，允许用户在各种应用中获得更大的灵活性。随着碳复合材料的加入，研究团队希望改进制造工艺。

　　该团队为该研究创建了一个定制的FDM 3D打印机，以制造连续纤维增强的SMPC零件。在材料方面，选择了两种不同类型用于评估：PLA和聚氨酯型SMP长丝（作为热塑性基质）和SMP环氧树脂作为热固性基质。然后，该团队将连续碳纤维添加到长丝中进行加固。

用于（a）热塑性塑料和（b）热固性塑料的连续碳纤维增强聚合物复合材料的3D打印系统的示意图。

　　他们在打印出待测样品时，试验了温度和打印速度的差异，然后由团队评估机械和形状记忆特性。

CF和PLA复合材料的3D打印。（a）仅PLA，（b）直径为1.5毫米的喷嘴，和（c）直径为2毫米的喷嘴。

　　“储能模量（G'），损耗模量（G”）和PLA的粘度在其熔点附近降低。储能模量以比损耗模量更大的速率降低，使PLA具有更多液体性质。因此，PLA可以很容易地从温度为180℃的喷嘴中挤出。”研究人员写道。

　　“不含CF的PLA长丝从喷嘴平滑地挤出，无论其直径是否大于熔合面积。然而，对于直径为1.5mm的喷嘴，PLA基质被挤出，就像螺旋缠绕CF一样。这是因为PLA挤出比CF更多，因为CF在挤出过程中没有被拉伸。此外，恶劣的温度和不同的挤出速度导致CF在3D打印过程中失效。另一方面，对于直径为2毫米的喷嘴，PLA和CF由于其挤压速度同步而被直接挤出。

　　这里面存在许多挑战，例如CF未完全涂覆PLA。为了更好地优化PLA和CF的供应速度以及材料的结构和聚变时间，研究人员创造了一种改进的打印头。他们还增加了日历卷和适当的张力装置。

　　“与传统3D打印聚合物相比，打印的SMPC在纤维方向上的显示出更好的机械性能。”研究人员表示。

　　机械性能的强度和稳定性是3D打印中的一个持续挑战，但随着研究人员决心完善从碳晶格到钛的测试，以及检查生物相容性问题的渐进式制造技术的材料和工艺，仍有不断改进的空间。

来源：3D打印商情

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