连续纤维3D打印技术成型工艺研究.pdf

TECHNOLOGY AND INFORMATION工业与信息化科学与信息化2023年9月上 125连续纤维3D打印技术成型工艺研究许光群1,2 皮志超1,2 杨彦21.国营芜湖机械厂 安徽 芜湖 241007；2.芜湖创联新材料科技有限公司 安徽 芜湖 241199摘 要 复合材料3D打印技术可实现复合材料性能可控制造，解决传统工艺加工周期长、工序多、成本高等技术问题。本文选取打印层高（H）、打印间隔（S）、移动速度（V）、喷头温度（T1）、底板温度（T2）5个主要成型工艺参数，通过正交试验矩阵获得最佳打印工艺参数，并对最优工艺打印件的力学性能及纤维含量进行了测试。关键词 3D打印；工艺参数；正交试验；力学性能Research on Continuous Fiber 3D Printing Technology for Molding TechnologyXu Guang-qun1,2,Pi Zhi-chao1,2,Yang Yan21.Wuhu State-owned Factory of Machining,Wuhu 241007,Anhui Province,China;2.Wuhu Chuanglian Advanced Materials Technology Co.,Ltd.,Wuhu 241199,Anhui Province,ChinaAbstract 3D printing technology of composite materials can achieve the controlled manufacturing of composite material performance,solve technical problems of traditional process such as long processing cycle,many process steps and high costs.This paper selects the five main molding process parameters of the printed layer height(H),the printing interval(S),the movement speed(V),the spray temperature(T1),and the bottom plate temperature(T2),obtains the best printing process parameters through the orthogonal test matrix,and tests the mechanical performance and fiber content of the optimal process printing.Key words 3D printing;process parameters;orthogonal test;mechanical performance引言纤维增强树脂基复合材料具有高强度、高模量、比重小、可设计性强等优点1-3，在航空航天、军事国防等领域得到广泛的应用4-5，但热固性复合材料存在断裂韧性及抗冲击能力差、成型加工周期长等问题6。传统的复合材料制造技术一方面工艺流程复杂，需要设计专用的模具，周期长，成本高7；另一方面，模具的存在限制了零件结构，难以一体化成形复杂构件，通常需要配合复杂的机加与胶接等后处理技术实现，既提高了加工成本，连接处也会导致构件整体性能的下降8。为解决传统复合材料制造技术面临的共性问题，近年来国内外研究者提出了将3D打印技术应用于纤维增强树脂基复合材料的制造中来9-12。3D打印具有无模自由成形的技术优势，能够摆脱高昂的模具限制与冗长的工艺流程，大大降低复合材料的加工成本与时间成本，此外3D打印具有更多的设计与制造自由度，理论上可以制造任意复杂结构的零件，实现复合材料低成本、一体化制造的潜力13。本文根据连续纤维增强热固性复合材料自身性能，结合连续纤维打印成型的特点，选取五个典型工艺参数，对打印层高（H）、打印间隔（S）、移动速度（V）、喷头温度（T1）、底板温度（T2）五个主要成型工艺参数进行研究分析，通过正交试验矩阵获得最佳打印工艺参数。1 试验1.1 试验原料本课题树脂体系选择E20环氧树脂和双氰胺类固化剂，该体系材料的固化温度在160左右；纤维选用3k的碳纤维，预浸丝直径取0.6mm。1.2 工艺参数优化设计3D打印工艺是利用基体树脂在玻璃态和粘流态之间的相互转变，来提供打印过程中所需的黏附力和维持预成形体形状的支撑力。结合喷头结构仿真分析的结果，同时考虑底板温度既不能使得材料过快冷却造成固化应力，又需要避免温度过高不利于打印成型，综上拟初步确定材料的打印参数如下：科学与信息化23年9月上内文0907.indd 1252023/9/8 17:34:04 TECHNOLOGY AND INFORMATION工业与信息化126 科学与信息化2023年9月上表1 正交实验表因素喷头温度（）层高（mm）线宽（mm）打印速度（mm/s）底板温度（）样件数/件实验11000.20.64303实验21000.250.88403实验31000.31.012503实验41000.351.216603实验51000.41.420703实验61100.20.812603实验71100.251.016703实验81100.31.220303实验91100.351.44403实验101100.4068503实验111200.21.020403实验121200.251.24503实验131200.31.48603实验141200.350.612703实验151200.40.816303实验161300.21.28503实验171300.251.412303实验181300.30616403实验191300.350.820503实验201300.41.04603实验211400.21.416503实验221400.250620603实验231400.30.84703实验241400.351.08303实验251400.41.2124031.3 工艺参数评估1.3.1 3D打印成型表面质量评估。在3D打印成型拉伸样件时，由于个别工艺参数设置不合理以及各个因素相互作用导致的缺陷主要有：打印过程黏接力不足，打印成型困难或无法成型。样件表面剐蹭严重，连续纤维明显损伤，产生明显毛刺。样件表面出现明显间隙，大的间隙会导致大的孔隙率。样件层与层之间出现分层现象，层与层之间未完全相互粘接。这4种缺陷如图1所示。这4种缺陷有一种或多种情况出现时，便认为该打印工艺参数的设置不合理的，将其排除工艺参数的选择范围之外。黏结力不足表面毛刺样件间隙样件分层图1 样件表面缺陷图这四种缺陷有一种或多种情况出现时，便认为该打印工艺参数的设置不合理的，将其排除工艺参数的选择范围之外，仅剩下7、12、14、16、24组可以进行后处理固化及力学性能测试，五组工艺参数下的跑道模型如图2所示。图2 正交实验打印合格样件1.3.2 3D打印样件拉伸结果评估。由于第14组在进行后续打印时，打印厚度较厚的弯曲、层剪等试样时，第14组也会产生毛刺，导致打印质量差，所以不对第14组进行后续实验，而后对剩下的4组样件进行固化，进行拉伸性能的测试，结果如表2所示。科学与信息化23年9月上内文0907.indd 1262023/9/8 17:34:04 TECHNOLOGY AND INFORMATION工业与信息化科学与信息化2023年9月上 127表2 不同实验组拉伸测试结果实验组别整体尺寸/mm拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa72501511217.567.3122501511110.163.7162501511264.961.1242501511414.671.7由表2可以看出，第24组工艺参数下的打印试样其拉伸性能是最好的，达到了1414.6MPa。该组具有较高的打印温度，打印时树脂可以充分熔融对纤维进行再次浸渍；其线宽和层高分别为1.0mm0.35mm；打印速度为8mm/s，在保证打印质量的前提下也能具有一个较好的打印速率；底板温度30也可以保证连续纤维和底板具有良好的粘接性能。1.3.3 最优工艺选定。通过对热固性连续纤维的工艺参数优化实验，测试了3D打印样件的表面质量和固化处理后样件的拉伸性能。结合喷头温度、层高、线宽、打印速度、底板温度等工艺参数，分析了工艺参数对打印质量的影响。最终的优化结果选取第24组，其具体工艺参数为：喷头温度140、层高0.35mm、线宽1.0mm、打印速度8mm/s、底板温度30。1.4 打印样件性能测试1.4.1 样件制备。按照最优最优工艺：喷头温度140、层高0.35mm、线宽1.0mm、打印速度8mm/s、底板温度30进行力学新能测试样条的制造。打印好的样条进行后固化，后固化步骤如下：首先将打印件置于定型装置，并放入真空袋，抽真空而后将样件放入加热炉中进行固化。真空袋的真空度大于等于-0.08Mpa；炉内温度均匀性则为5。以不大于2/min的速度将样件加热至130后，保温2h，确保树脂浸润均匀。继续加热至170，恒温1h，使基体充分固化，然后以不大于3/min的速度冷却至60以下取出。1.4.2 样件力学性能测试。3D打印样件力学性能测试包含：拉伸、压缩、弯曲、剪切等力学性能测试，测试结果如下：表3 拉伸性能测试结果样品编号整体尺寸/mm拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa012501511514.672.9022501511536.073.4032501511218.768.5042501511308.265.3052501511219.368.2平均值/1359.469.7表4 压缩性能测试结果样品编号整体尺寸/mm压缩强度/MPa压缩模量/GPa01140122557.170.602140122486.463.503140122403.955.304140122608.7182.005140122417.454.5平均值/494.785.18表5 三点弯曲性能测试结果样品编号整体尺寸/mm弯曲强度/MPa弯曲模量/GPa0180132659.8102.70280132742.2117.60380132693.8104.6048013263488.90580132829.7118.5平均值/711.9106.5表6 剪切性能测试结果样品编号整体尺寸/mm剪切强度/MPa012063137.9022063145.1032063140.1042063121.5052063139.1平均值/136.71.4.3 样件纤维含量测试。纤维含量测试可采用化学分解、烧化等方法进行测量。尽管环氧树脂E20在固化过程中会有所损耗，提升纤维含量，但考虑到碳纤维在400以上会产生强烈的氧化反应，影响测试结果，因此课题采用化学分解法测量固化前的样件，3D打印件纤维含量为51.6wt.%。2 结束语本课题采用3D打印技术进行连续纤维热固性材料体系打印，通过正交试验确定了最优打印工艺，采用E20环氧树脂和双氰胺类固化剂，3k的碳纤维丝材最优打印参数为喷头温度140、层高0.35mm、线宽1.0mm、打印速度8mm/s、底板温度30。材料打印力学性能抗拉强度为1359.4MPa，平均压缩强度为494.7Mpa，三点弯曲强度为711.9Mpa，剪切强度为136.7Mpa，打印件纤维含量为51.6wt.%。（下转第131页）科学与信息化23年9月上内文0907.indd 1272023/9/8 17:34:04 TECHNOLOGY AND INFORMATION交通与信息化科学与信息化2023年9月上 131表9 服务区出行分布表区域南彭组团茶园组团龙盛组团北部组团中心组团南部组团北碚组团西永组团陶家组团合计占比7%11%9%24%27%13%1%6%2%100%根据预测得知，东站枢纽服务区客流主要来自于中部槽谷，占比约为64%，其中中心组团占比最高约为27%，其次为北部组团24%，西部槽谷占比较少，约9%，其中北碚组团占比最少约为1%。4 结束语枢纽客流预测是综合交通枢纽的关键内容，其结果直接影响到枢纽设施规模和布局，为枢纽各配套交通设施（公交站场、长途客运站、出租车、网约车、社会车辆停车场等）规模的确定提供定量依据。本文将枢纽客流预测分为枢纽出行需求、服务区出行需求以及城市背景交通量接3个方面，以重庆东站为例详细分析了枢纽出行需求以及服务区出行需求。而城市背景交通量需根据不同城市实际情况分析，通常采用四阶段模型分析得到，其分析范围涉及整个城市，所以不在本文的研究范围。需要指出的是，客流预测结果是一种理论算法得到的结果，它可能不能保证与未来年的实际情况完全吻合，在综合交通枢纽的发展过程中，各种不确定因素都可能对枢纽客流产生重要影响。因此，在设计方案的时候一般要在客流预测结果的基础上，考虑10%20%的敏感性变化范围，并在设计方案中予以体现。参考文献1 杨少辉,赵洪彬.高铁车站综合交通枢纽需求分析方法研究-以洛阳龙门站为例C.2018年中国城市交通规划年会,2018年中国城市交通规划年会会议论文集.青岛:中国城市规划学会,2018.2 黄伟.综合交通枢纽的客流预测分析J.城市交通,2004,2(3):35-38.3 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