本文摘要：摘要为实现高性能纤维增强树脂基复合材料低成本、一体化快速制造，本文研究了一种连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术。借鉴熔融沉积成形工艺，建立了其成形原理，设计了集成打印头模块并搭建原理样机，采用二级喷嘴对打印工艺参数进行调控，建立了工艺参
摘要为实现高性能纤维增强树脂基复合材料低成本、一体化快速制造，本文研究了一种连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术。借鉴熔融沉积成形工艺，建立了其成形原理，设计了集成打印头模块并搭建原理样机，采用二级喷嘴对打印工艺参数进行调控，建立了工艺参数对纤维含量与力学性能的影响关系，在纤维体积含量达到44.1vol%时，连续碳纤维增强尼龙6复合材料的拉伸强度与模量达到405MPa与80.6GPa，弯曲强度与模量达到565.8MPa与62.1GPa。
关键词连续纤维3D打印工艺参数调控
1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，在航空航天、军事国防、汽车工业等领域得到广泛的应用，特别是对于纤维增强热塑性复合材料，相比于热固性复合材料其具有更高的冲击韧性、更短的成型周期以及可回收性等优势，近年来得到越来越多的关注与应用，形成了一系列相对成熟的制造技术，主要有热压成形、缠绕成形、铺放成形、RTM成形等，但传统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;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，传统成形工艺的缺点成为限制复合材料进一步应用的瓶颈，克服以上瓶颈开发新的成形工艺是促进复合材料长远发展的重中之重。
为解决传统复合材料制造技术面临的共性问题，近年来研究者提出了将3D打印技术应用于纤维增强树脂基复合材料制造过程中，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，恰好能够克服传统复合材料制造技术的不足，具有实现复合材料低成本、一体化制造的潜力，但在早期大多数采用的都是增强颗粒或者短切纤维进行3D打印，复合材料的力学性能较3D打印纯塑料的提升效果均十分有限，无法满足工业应用的需求。
本文研究了一种连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术，建立了成形机理，设计开发了集成打印头模块，搭建了原理样机，以连续碳纤维增强尼龙6为原材料探索打印工艺，研究了采用双级喷嘴对其进行参数调控的方法，获得了不同工艺参数对复合材料纤维含量与力学性能的影响规律，实现了复合材料性能可控制造。
2成形原理与原理样机
(1)成形原理
本文研究一种基于熔融沉积成形(FDM)的连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术(CFRTP-FDM)，其成形原理如图1所示。打印流程与FDM工艺相似，最大的区别在于该技术是将连续纤维与热塑性树脂丝材同时送入到打印头内，主要包括熔融浸渍、挤出沉积与堆积成形三个过程：熔融浸渍过程为复合材料的制备过程，分别以连续纤维与热塑性树脂丝材为原材料，二者同时送入到同一个3D打印头，在打印头内部树脂加热熔融之后浸渍纤维束形成复合材料，之后从喷嘴出口处挤出沉积在打印平面上，随后树脂基体在空气中迅速冷却，一方面粘附在打印平台上，另一方面将纤维固定防止被拉出，已经固定的纤维束会对后续挤出的熔融树脂中的纤维产生轴向拉力，在该拉力作用下，连续纤维能够不断地从喷嘴中被拉出;堆积成形过程是在打印路径控制下，3D打印头挤出复合材料由线到面、由面到体逐渐堆积成形三维零件。
(2)原理样机
根据CFRTP-FDM工艺成形原理，借鉴传统桌面型FDM打印设备设计开发原理样机，如图2所示，主要由复合材料集成打印头模块、三维运动模块、温度控制模块、运动控制模块等组成，其中最为核心为其集成打印头模块，与传统FDM打印头区别较大需要进行独立设计。打印头模块主要由纤维与树脂送丝单元、加热单元、散热单元三部分组成，为保证树脂与纤维同时输送，在同一加热块内部设计两个独立的材料入口以及通道，两处通道在下方喷嘴内部熔融腔处交汇在高温与内部压力作用下完成两种材料的复合。
最终从喷嘴下方同一出口处挤出，其中树脂丝材的输送采用传统FDM远程送丝的方式，在纤维输送过程中为防止纤维发生摩擦损伤，采用聚四氟乙烯管将连续纤维送入加热块内部，之后在加热块上端嵌套纤维导管，连续纤维通过纤维导管的内孔进入到喷嘴内部，同时对与纤维直接接触的零部件进行圆弧倒角处理，特别是在喷嘴出口处纤维挤出时，实验发现喷嘴出口端对挤出材料有一定压力作用纤维受到剪切力特别容易被剪断，需要对喷嘴出口处进行微倒角设计以加工专用喷嘴。打印头模块的其他单元以及原理样机其他模块的设计都与传统FDM工艺相同。
3双级喷嘴工艺参数调控
与传统FDM工艺相似，在CFRTP-FDM过程中存在多个打印工艺参数，本文以连续碳纤维(1K-T300B-1000，日本东丽)与尼龙6(PA6，中国施派普瑞)为原材料，利用开发的原理样机对打印工艺参数开展研究，主要包括打印头温度(T1，℃)、底板温度(T2，℃)、打印速度(V，mm/min)、分层厚度(L，mm)、扫描间距(H，mm)、送丝速度(E，mm/min)六个参数，打印头温度T1主要用于融化树脂与纤维复合，根据PA6的熔点选择270℃，底板温度T2用于增加打印过程中底板与零件的粘结力，对于尼龙6打印温度高且存在结晶行为因此在冷却过程中会产生较大的内应力，容易造成零件发生收缩、翘曲变形从底板上剥离。
为此本文选择较高的底板温度为120℃，以上两个温度可以利用温度控制模块进行调节;打印速度V指的是喷头模块的移动速度，由于连续碳纤维的存在，过快的速度会导致纤维与树脂在喷嘴内部的复合时间变短，且容易造成纤维损伤，为此选择100mm/min的打印速度;分层厚度L指的是3D打印相邻层之间的距离，可以在每一层打印结束后改变Z轴的上升高度进行调整，扫描间距H指的是3D打印相邻线之间的距离，在纯塑料FDM打印过程中，一般扫描间距的大小是与打印头下方的喷嘴出口直径相同，改变扫描间距需要更换不同出口直径的喷嘴即可，但对于CFRTP-FDM工艺，若采用传统的整体式单级喷嘴，当扫描间距较小时，喷嘴出口直径D较小，喷嘴出口处倒角不易加工，出口存在较锋利的加工面，打印过程中纤维比较容易被破坏。
喷嘴直径D较大时，其扫描间距与喷嘴直径不相匹配，导致打印过程中树脂吐丝量不均匀，从而导致制件表面质量差。为改变整体式单级喷嘴带来的问题，本文创新性设计出可拆卸式嵌套双级喷嘴所示，内部为直径可变的一级内嵌喷嘴D1，外部嵌套二级喷嘴D2，二者通过螺纹连接。
在打印过程中D1用于控制树脂的吐丝量，扫描间距改变时，D1随之改变;过渡段是一级喷嘴出口与二级喷嘴出口之间的垂直距离，能够保证纤维与喷嘴相垂直而使得纤维不受剪力，在打印过程中不会破坏及剪断纤维;二级喷嘴D2采用出口直径较大圆滑过渡的喷嘴，对纤维的剪切作用较小，在打印过程中由于喷嘴加热，对沿打印方向前端的复合材料起到预热的作用，对沿打印方向后端的复合材料起到热压作用。送丝速度E指的是单位时间内进入打印头内部PA6树脂量，通过改变送丝步进电机的转速进行调整，该参数并不是独立存在而是与扫描间距与分层厚度相互耦合的，送丝速度的大小根据不同的H与L存在合适的参数值。
本文主要研究分层厚度L、扫描间距H、送丝速度E三个工艺参数的变化，根据前期的探索性实验选择了两组不同的参数组合，分别为H1.0/L0.3/E70以及H0.5/L0.2/E60，两组工艺参数组合下打印的连续碳纤维增强PA6复合材料所示。
4纤维含量与力学性能
采用燃烧法(ASTMD3171-15)检测两组工艺参数组合下CCF/PA6复合材料中的纤维体积含量，如图4所示，在工艺参数组合H1.0/L0.3/E70时复合材料的纤维体积含量为16.4vol%左右，而在H0.5/L0.2/E60时的纤维含量得到了大幅度的提升，达到了44.1vol%左右，主要是由于后者纤维铺放的层数以及每一层的行数更多。
两组工艺参数组合下复合材料的力学性能如图5所示，CCF/PA6复合材料的拉伸强度与模量由H1.0/L0.3/E70的235.6MPa与25.2GPa分别提升到H0.5/L0.2/E60的405MPa与80.6GPa，弯曲强度与模量由H1.0/L0.3/E70的229.3MPa与9.9GPa分别提升到H0.5/L0.2/E60的565.8MPa与62.1GPa，力学性能的提升主要原因是由于纤维含量的增加。
5结论
本文研究了一种连续纤维增强热塑性复合材料熔融沉积成形3D打印技术(CFRTP-FDM)，建立了其熔融浸渍-挤出沉积-堆积成形的工艺原理，设计了复合材料集成打印头模块实现了树脂与纤维的同时输送与复合，搭建了原理样机，可实现复合材料低成本一体化快速制造，设计二级喷嘴实现打印工艺参数的精确调控，从而获得具有不同纤维含量与力学性能的复合材料，实现复合材料的性能可控制造。
作者：刘腾飞田小永
材料论文投稿刊物：《复合材料学报》本刊主要刊载我国复合材料基础研究和应用研究方面具有创造性、高水平和具有重要意义的最新研究成果的论文。刊载范围:纤维、织物、颗粒或晶须增强聚合物基、金属基、陶瓷基等复合材料及其复合薄膜或复合涂层材料(包括：结构、功能、生物骨结构、电子、建筑等复合材料)的制备、性能、设计等，以促进国内外复合材料研究领域的学术交流及先进复合材料的推广应用。
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