宋亞星，單忠德，戰(zhàn)麗，陳意偉，鄒愛玲，孫啟利

(機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料憑借自身高的強(qiáng)度與模量、密度小、抗疲勞以及耐腐蝕等性能優(yōu)勢(shì)[1]，已在航空航天等高端領(lǐng)域中逐漸應(yīng)用成熟，并向著汽車制造等民用領(lǐng)域滲透發(fā)展。熱壓罐成型、樹脂傳遞模塑成型、自動(dòng)鋪放技術(shù)等傳統(tǒng)成型技術(shù)在工藝過程復(fù)雜度和加工成本的控制上無法滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)制造，這也極大限制了該材料的應(yīng)用范圍[2]。以增材制造為核心的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料3D 打印技術(shù)無需模具和復(fù)合材料連接工藝，即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件一體化成形，減少生產(chǎn)周期，降低制造成本，已成為一種新興的復(fù)合材料制造工藝[3]，其中熔融沉積成形技術(shù)因設(shè)備結(jié)構(gòu)較為簡單、成本低廉等優(yōu)勢(shì)應(yīng)用最為廣泛[4]。

增強(qiáng)體纖維可分為納米纖維、短纖維、長纖維以及連續(xù)纖維，不同的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成形特性不同，依據(jù)目標(biāo)制件結(jié)構(gòu)特征和成形要求，綜合選擇增強(qiáng)體纖維，研究成形相關(guān)工藝。部分學(xué)者研究了玻璃纖維增強(qiáng)丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)熱塑性聚氨酯復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)ABS 復(fù)合材料等多種短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的打印工藝，研究表明添加纖維可提高抗拉強(qiáng)度和模量，但會(huì)降低韌性和延展性[5–7]。Emmett Hull 等[8]對(duì)復(fù)合材料的制備進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)碳纖維含量、擠出溫度和噴嘴尺寸對(duì)出絲直徑、膨脹百分比和擠出速率有顯著影響。纖維與基體之間的界面粘合性也是影響成形性能的關(guān)鍵因素，紫外光輻射、硫酸化學(xué)腐蝕、激光預(yù)熱等方式可提升增強(qiáng)體與樹脂基體的界面結(jié)合性，實(shí)現(xiàn)成形性能的提升[9–11]。短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在熔融沉積增材制造中，纖維的取向一定程度上可控在打印方向上。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室對(duì)短碳纖維(0.2～0.4 mm)增強(qiáng)ABS復(fù)合材料研究，發(fā)現(xiàn)3D 打印試樣中的纖維在打印方向上的纖維取向高達(dá)91.5%[12]。另一方面也可通過改變短纖維增強(qiáng)體的長徑比配合噴嘴尺寸結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)在打印方向上的纖維取向，從而沿打印方向增強(qiáng)剛度[13]。此外，通過研究擠出成型過程流場發(fā)現(xiàn)，阻壩擴(kuò)張式機(jī)頭更有利于擠出成型過程中短纖維在基體中的徑向取向[14–15]。目前在短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料熔融沉積增材制造設(shè)備研發(fā)上，美國stratasys的FORTUS 380MC，意大利Roboze 的ONE+400 等設(shè)備均已支持短碳纖維增強(qiáng)PA 等常見復(fù)合材料。其中Roboze 在2017 年的Formnext 展會(huì)上推出了新設(shè)備ARGO 500 支持短碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮(PEEK）復(fù)合材料[16]。國內(nèi)三的部落近幾年推出的工業(yè)級(jí)P300／P350 pro 同樣支持了該高性能復(fù)合材料。

隨著材料、工藝和設(shè)備的協(xié)同發(fā)展，短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用已逐步進(jìn)入到日常生活中。2020年初，新冠疫情爆發(fā)，護(hù)目鏡等醫(yī)療物資一度緊缺。現(xiàn)有護(hù)目鏡生產(chǎn)采用注塑成形，存在摸具開發(fā)周期長，無法應(yīng)對(duì)定制化、小批量快速迭代的生產(chǎn)需求。因此筆者針對(duì)護(hù)目鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，采用短碳纖維增強(qiáng)聚乳酸(PLA)復(fù)合材料熔融沉積增材制造技術(shù)生產(chǎn)制備護(hù)目鏡，并進(jìn)行相關(guān)工藝參數(shù)優(yōu)化研究，最終進(jìn)行應(yīng)用測試，投入到企業(yè)生產(chǎn)防疫一線使用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

短切碳纖維增強(qiáng)PLA 絲材：直徑1.75 mm，碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約為0%，5%，10%，自制；

1.2 主要設(shè)備及儀器

護(hù) 目 鏡 制 造 設(shè) 備( 如 圖1 所 示)：CAM–FAM500 型，北京機(jī)科國創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院有限公司；

微機(jī)控制電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)：WDW–100型，濟(jì)南東測公司；

三維掃描儀：Goscan3D 型，加拿大creaform 公司；

場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)：GeminiSEM 500 型，德國卡爾蔡司公司。

圖1 CAM–FAM500 增材制造設(shè)備

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

通過三維掃描儀對(duì)不同人群的面部特征進(jìn)行提取分析，逆向生成面部貼合輪廓，以此為樣本提取適合國人的面部輪廓參數(shù)，進(jìn)行迭代優(yōu)化，結(jié)合短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料熔融沉積成形工藝及防疫使用需求，設(shè)計(jì)出護(hù)目鏡框架結(jié)構(gòu)。將結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入切片軟件Repetier Host 進(jìn)行切片及路徑生成，而后通過CAM-FAM500 設(shè)備進(jìn)行成形制造。其中復(fù)合絲材通過送絲機(jī)構(gòu)熔融擠出，按切片路徑逐層掃描疊加成形，最終完成對(duì)樣件及護(hù)目鏡的制造。

采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)以2 mm／min 的加載速率對(duì)試樣進(jìn)行拉伸性能測試，以其拉伸強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)成形工藝參數(shù)優(yōu)劣的指標(biāo)，指導(dǎo)護(hù)目鏡打印工藝參數(shù)選擇。以優(yōu)化出的工藝參數(shù)組合進(jìn)行護(hù)目鏡樣件的成形制造，并采用三維掃描儀分析尺寸誤差，評(píng)價(jià)成形精度。最后采用掃面電鏡觀察其纖維與樹脂之間的界面結(jié)合缺陷。

2 結(jié)果與討論

2.1 護(hù)目鏡優(yōu)化設(shè)計(jì)

考慮到不同受眾對(duì)護(hù)目鏡的使用需求，同時(shí)基于短碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料熔融沉積增材制造技術(shù)的工藝特點(diǎn)及產(chǎn)品個(gè)性化快速定制的實(shí)際需求，針對(duì)護(hù)目鏡主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)優(yōu)化流程如圖2 所示。

圖2 護(hù)目鏡設(shè)計(jì)優(yōu)化流程

在對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)，基于人體工學(xué)原理，對(duì)不同人群的面部特征進(jìn)行提取，逆向反求護(hù)目鏡面部貼合輪廓。并依據(jù)GB／T 2428–1998 《成年人頭面部尺寸》，以瞳孔間距和面寬作為主要目標(biāo)參數(shù)對(duì)護(hù)目鏡尺寸縮放，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)劃分(S，M，L，XL)，以滿足不同面部尺寸用戶的需求，劃分結(jié)果見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)主要參數(shù)劃分 mm

為保證護(hù)目鏡內(nèi)部空氣的流通性，滿足長期佩戴的使用需求，在護(hù)目鏡的上下兩側(cè)設(shè)計(jì)了通氣孔。針對(duì)此次疫情對(duì)護(hù)目鏡防護(hù)等級(jí)要求較高的特點(diǎn)，設(shè)置熔噴布過濾層，同時(shí)考慮到使用過程中過濾層的更換需求，設(shè)置上下通氣蓋板，既便于更換，又能保證較好的過濾效果。護(hù)目鏡的設(shè)計(jì)版本更迭結(jié)果如圖3 所示。

圖3 護(hù)目鏡的設(shè)計(jì)版本更迭結(jié)果

2.2 工藝參數(shù)對(duì)制件力學(xué)性能研究

(1)噴頭溫度、成形速度和層間厚度對(duì)拉伸力學(xué)性能的影響規(guī)律。

探究噴頭溫度(A)、成形速度(B)和層間厚度(C)不同取值水平對(duì)打印樣件拉伸力學(xué)性能的影響規(guī)律，采用正交試驗(yàn)，每個(gè)參數(shù)均設(shè)置三個(gè)水平，并且設(shè)計(jì)一個(gè)空列作為試驗(yàn)誤差用來衡量試驗(yàn)的可靠性，選擇L9(34)正交試驗(yàn)表進(jìn)行測試，參數(shù)與水平的選擇見表2。

打印制備標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)以2 mm／min 的加載速率對(duì)試樣進(jìn)行拉伸性能測試，以拉伸強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)成形工藝參數(shù)優(yōu)劣的指標(biāo)。正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置與拉伸強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在選定的工藝參數(shù)和設(shè)置的實(shí)驗(yàn)組中，噴頭溫度為220℃、成形速度為25 mm／s、層間厚度為0.25 mm 時(shí)，樣件拉伸強(qiáng)度最優(yōu)，達(dá)到了42.70 MPa；在噴頭溫度為200 ℃、成形速度為25 mm／s、層間厚度為0.15 mm 時(shí)，樣件拉伸強(qiáng)度最差，僅為37.96 MPa。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，從而確定最優(yōu)工藝參數(shù)組合，結(jié)果見表4。三個(gè)不同影響因素極差數(shù)值大小排序?yàn)椋簩娱g厚度(C)＞噴頭溫度(A)＞成形速度(B)，即層間厚度的變化對(duì)樣件拉伸強(qiáng)度影響最大，其次是噴頭溫度，而成形速度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響最小。最佳工藝參數(shù)組合是A2B3C3，即噴頭溫度為210℃，成形速度35 mm／s，層間厚度為0.25 mm。

表4 極差分析結(jié)果

(2)噴嘴直徑和填充路徑對(duì)拉伸力學(xué)性能的影響規(guī)律。

探究噴嘴直徑和填充路徑對(duì)打印樣件拉伸力學(xué)性能的影響規(guī)律，分別設(shè)置不同噴頭直徑(0.4，0.5，0.6 mm)和不同的填充路徑方式[17](柵格填充、輪廓偏置填充以及混合填充)進(jìn)行單因素影響規(guī)律研究，如圖4 和圖5 所示。由圖4 可知，在選定參數(shù)范圍內(nèi)，拉伸強(qiáng)度隨噴嘴直徑的增加而增加，當(dāng)噴嘴直徑0.6 mm 時(shí)，樣件拉伸強(qiáng)度最高為45.63 MPa。噴嘴直徑越小，成形精度越高，但也越易產(chǎn)生堵頭問題，從而影響成形性能。如圖5 所示，三種填充路徑的對(duì)樣件的拉伸性能影響并不顯著，其中輪廓偏置填充最優(yōu)，其相較于柵格填充拉伸強(qiáng)度提升3.98%，相較于混合填充拉伸強(qiáng)度提升1.30%。

圖4 不同噴頭直徑時(shí)材料拉伸強(qiáng)度

圖5 不同填充路徑時(shí)材料拉伸強(qiáng)度

2.3 纖維狀態(tài)對(duì)制件力學(xué)性能研究

短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要由短纖維、樹脂以及纖維／樹脂結(jié)合界面組成，其中短纖維是復(fù)合材料中的增強(qiáng)體，是受載情況下主要的承載對(duì)象，因此不同的纖維狀態(tài)影響著成形制件的力學(xué)性能。為探究纖維含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，選取不同含量的短纖維復(fù)合材料，打印制備拉伸樣件并進(jìn)行力學(xué)性能測試。圖6 是不同纖維含量對(duì)材料拉伸強(qiáng)度的影響。

圖6 不同纖維含量時(shí)材料拉伸強(qiáng)度

由圖6 可以看出，材料拉伸強(qiáng)度隨纖維含量的增加呈增強(qiáng)趨勢(shì)。當(dāng)纖維含量達(dá)到10%時(shí)，樣件的拉伸強(qiáng)度最優(yōu)為42.70 MPa，拉伸強(qiáng)度相較于纖維含量為0%的純樹脂提升了10.9%。

為探究不同纖維取向?qū)Τ尚沃萍W(xué)性能的影響規(guī)律，分別測試了三種不同打印方向即0°(拉伸方向)、45°和90°(垂直拉伸方向)打印樣件的拉伸力學(xué)性能，如圖7 所示，沿0°方向打印樣件拉伸強(qiáng)度最優(yōu)，達(dá)到47.87 MPa；沿45°方向打印樣件拉伸強(qiáng)度次之，為41.76 MPa；而沿90°方向打印樣件由于道間結(jié)合性能的限制，拉伸力學(xué)性能最差，僅達(dá)到15.73 MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，纖維取向?qū)αW(xué)性能影響顯著，當(dāng)纖維取向與樣件承載方向一致時(shí)，可充分發(fā)揮纖維增強(qiáng)作用，提升制件力學(xué)性能。

圖7 不同成形角度時(shí)材料拉伸強(qiáng)度

2.4 成形精度分析

基于上述工藝參數(shù)及纖維狀態(tài)對(duì)制件成形性能的研究，優(yōu)化護(hù)目鏡打印參數(shù)見表5，成形制造四種標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的短碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料護(hù)目鏡，如圖8 所示。

表5 護(hù)目鏡打印參數(shù)

圖8 四種標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)護(hù)目鏡主體結(jié)構(gòu)

為掌握護(hù)目鏡的成形精度，對(duì)護(hù)目鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行長、寬、高尺寸的測量，并與理論尺寸進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)尺寸誤差，評(píng)估成形精度，見表6。

從表6 可以看出，各型號(hào)護(hù)目鏡在長、寬、高方向上尺寸誤差均小于0.80%，尺寸誤差較小。為進(jìn)一步評(píng)估護(hù)目鏡結(jié)構(gòu)尺寸誤差產(chǎn)生位置，以優(yōu)化成形工藝改善成形質(zhì)量，采用三維掃描技術(shù)，觀察S 型號(hào)護(hù)目鏡整體成形尺寸誤差，結(jié)果如圖9 所示。

表6 標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)護(hù)目鏡尺寸誤差統(tǒng)計(jì)

通過采集26 003 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，護(hù)目鏡平均尺寸誤差為0.218 mm，在關(guān)鍵貼合部位，即面部、鼻部貼合處成形精度較高。誤差主要集中出現(xiàn)在左右拉扣處，主要由于該處屬于懸臂結(jié)構(gòu)，增材制造成形時(shí)需要支撐結(jié)構(gòu)，在去除支撐時(shí)，易損壞接觸表面。

圖9 S 型號(hào)護(hù)目鏡三維掃描尺寸誤差圖

2.5 成形缺陷分析

短碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成形的護(hù)目鏡如圖10所示。通過局部放大上下透氣孔、拉扣、鼻梁等關(guān)鍵位置，可以發(fā)現(xiàn)沒有明顯的分層、孔隙、毛刺等缺陷出現(xiàn)，成形質(zhì)量較好，符合應(yīng)用要求。

圖10 功能款短碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料護(hù)目鏡

為進(jìn)一步評(píng)估護(hù)目鏡內(nèi)部成形缺陷，利用FESEM 進(jìn)行微觀表征，見圖11。如圖11a 所示，短纖維主要沿打印方向分布，局部存在孔隙缺陷。這樣的分布方式能夠有效發(fā)揮纖維的承載能力，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。孔隙缺陷主要是絲材擠出時(shí)產(chǎn)生的氣泡未及時(shí)排除造成的。纖維與樹脂之間良好的結(jié)合界面是承載過程中載荷高效傳遞重要基礎(chǔ)，如圖11b 所示，纖維被樹脂包裹，表明纖維與樹脂之間的界面結(jié)合性較好。

圖11 護(hù)目鏡樣件SEM 照片

3 結(jié)論

(1)基于人體工學(xué)原理，對(duì)不同人群的面部特征進(jìn)行提取，在對(duì)護(hù)目鏡主體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)進(jìn)行面部貼合輪廓的迭代優(yōu)化。通過加入透氣孔與熔噴布過濾層結(jié)構(gòu)，保證護(hù)目鏡結(jié)構(gòu)具有較好的透氣性。

(2)正交實(shí)驗(yàn)分析噴頭溫度、成形速度和層間厚度，獲得了拉伸強(qiáng)度最優(yōu)組合；在選定噴嘴直徑范圍內(nèi)(0.4～0.6 mm)，成形件拉伸強(qiáng)度隨直徑的增大而增大；柵格填充、輪廓偏置以及混合填充三種路徑的對(duì)樣件的拉伸性能影響不顯著，其中輪廓偏置填充最優(yōu)；拉伸強(qiáng)度隨纖維含量的增加呈增強(qiáng)趨勢(shì)，當(dāng)纖維含量達(dá)到10%，拉伸強(qiáng)度較純樹脂提升10.9%；纖維取向?qū)αW(xué)性能影響顯著，當(dāng)纖維取向與樣件承載方向一致時(shí)，可充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用。

(3)通過工藝參數(shù)優(yōu)化，選取噴頭溫度210℃，成形速度35 mm／s，層間厚度為0.25 mm，噴嘴直徑0.6 mm，輪廓偏置填充路徑，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，纖維方向?yàn)?°進(jìn)行護(hù)目鏡打印，樣件平均尺寸誤差為0.218 mm，在關(guān)鍵貼合部位即面部、鼻部貼合處成形缺陷較少，尺寸精度較高，且內(nèi)部纖維被樹脂包裹，界面結(jié)合較好。