鄒愛(ài)玲 ，單忠德 ，陳意偉 ，戰(zhàn)麗 ，王紹宗 ，劉曉軍 ，宋亞星

(1.機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044；2.北京機(jī)科國(guó)創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院有限公司,北京 100083； 3.南京航空航天大學(xué),南京 210016)

隨著先進(jìn)成形技術(shù)的發(fā)展,連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成形技術(shù)不斷朝著高效率、低成本、低能耗、自動(dòng)化等方向發(fā)展,改變了傳統(tǒng)工藝過(guò)程復(fù)雜、周期長(zhǎng)、人工干預(yù)多等問(wèn)題。芳綸纖維(AF)復(fù)合材料已經(jīng)在航空航天、國(guó)防軍工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1–3],但因其加工成形難、易出現(xiàn)抽絲和拉毛等問(wèn)題,以至于尺寸精度、材料性能難以精確控制[4–6]的現(xiàn)象日益凸顯。近幾年,很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造技術(shù)方面的研究[7],較多采用將纖維原絲引入熔融沉積成形(FDM)工藝中,進(jìn)行在線復(fù)合并打印成形,如M. Heidari–Rarani等[8]采用FDM工藝,成形碳纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料,對(duì)比純PLA,復(fù)合材料的拉伸性能與彎曲性能得到顯著提升。Dou Hao等[9]采用FDM工藝,對(duì)碳纖維增強(qiáng)PLA線材進(jìn)行浸漬打印,研究了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與拉伸彈性模量。劉騰飛等[10–12]基于FDM工藝,研究了碳纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料的力學(xué)性能。劉良強(qiáng)等[13–14]采用FDM工藝,研究了不同參數(shù)下AF增強(qiáng)PLA復(fù)合材料的拉伸及壓縮性能。上述研究采用纖維與樹(shù)脂原位浸漬方式成形復(fù)合材料,其力學(xué)性能及浸漬效果受打印工藝參數(shù)的影響比較明顯。單忠德等[15–17]提出了連續(xù)纖維增材制造成形技術(shù),主要通過(guò)調(diào)控纖維與樹(shù)脂的配比制備預(yù)復(fù)合絲材,采用連續(xù)纖維增材制造成形設(shè)備將復(fù)合絲材進(jìn)行加熱熔融成形制備復(fù)合材料構(gòu)件,該方法可成形碳纖維、AF等高性能纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料,實(shí)現(xiàn)由原料(纖維原絲與樹(shù)脂顆粒)到復(fù)合材料的直接成形。

筆者以AF為增強(qiáng)體、PLA為基體、聚丁二酸丁二酯(PBS)為增韌劑,制備PLA／AF預(yù)復(fù)合絲材,采用連續(xù)纖維增材制造工藝制備PLA／AF復(fù)合材料,研究了纖維取向、打印速度、打印層厚、打印間距對(duì)層間剪切性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

AF：泰普龍529S,線密度為840D,煙臺(tái)泰和新材料股份有限公司；

PLA：4032D,美國(guó)Nature Works公司；

PBS：TH803S,新疆藍(lán)山屯河化工股份有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)：INSTRON5567型,美國(guó)英斯特朗公司；

連續(xù)纖維復(fù)合絲材成形機(jī)、連續(xù)纖維增材制造原理樣機(jī)：自制。

1.3 樣品制備

AF原絲經(jīng)30℃恒溫水浴去漿處理、加熱展纖、粉末浸漬、熔融擠出浸漬制備PLA／AF復(fù)合絲材,制備工藝如圖1所示。

圖1 PLA／AF復(fù)合絲材制備工藝流程示意圖

PLA／AF復(fù)合材料樣品尺寸確定為60 mm×30 mm×6 mm。在三維建模軟件中進(jìn)行樣品建模并導(dǎo)出STL格式模型文件,將STL格式模型文件導(dǎo)入Repetier-Host開(kāi)源切片軟件中對(duì)其進(jìn)行模型分析與路徑規(guī)劃,優(yōu)化代碼。將制備的PLA／AF復(fù)合絲材由連續(xù)纖維增材制造原理樣機(jī)成形PLA／AF復(fù)合材料層間剪切測(cè)試樣品。PLA／AF增材制造工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 PLA／AF復(fù)合材料增材制造工藝參數(shù)

1.4 性能測(cè)試

層間剪切強(qiáng)度按JC／T 773–2010測(cè)試,跨距為30 mm,加載速度為3 mm／min、加載頭圓角半徑為(2±0.2) mm,支座圓角半徑為(2±0.2) mm。

2 結(jié)果與討論

采用連續(xù)纖維增材制造技術(shù)制備不同AF取向、打印速度、打印層厚、打印間距的PLA／AF復(fù)合材料測(cè)試樣品,研究不同工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度的影響。

2.1 AF取向?qū)LA／AF復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度的影響

針對(duì)AF不同取向的PLA／AF復(fù)合材料,設(shè)計(jì)了單向、±45°和0°／90°共3種AF取向結(jié)構(gòu),在Repetier-Host開(kāi)源切片軟件中對(duì)層間剪切樣品模型進(jìn)行分層和路徑規(guī)劃,為保證樣品內(nèi)部AF取向的一致性,對(duì)生成的代碼進(jìn)行優(yōu)化和完善。考慮復(fù)合材料樣品成形過(guò)程中,±45°取向的結(jié)構(gòu)中小線段路徑較多,選擇較小的打印速度,以避免較多且頻率過(guò)快地加、減速對(duì)增材制造的成形效果產(chǎn)生影響,選擇打印速度為8 mm／s,打印層厚為0.75 mm,打印間距為1.2 mm,其它工藝參數(shù)見(jiàn)表1,成形AF不同取向下的復(fù)合材料樣品。AF不同取向下成形復(fù)合材料樣品的層間剪切強(qiáng)度如圖2所示。

圖2 AF不同取向下成形復(fù)合材料樣品的層間剪切強(qiáng)度

由圖 2可以看出,單向、±45°和 0°／90°取向復(fù)合材料樣品的層間剪切強(qiáng)度分別為11.84,4.95 MPa和9.88 MPa,其中AF單向取向復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度最大,0°／90°取向的層間剪切強(qiáng)度次之,±45°取向的層間剪切強(qiáng)度最小。AF單向取向的層間剪切強(qiáng)度比±45°取向提高139.19%,比 0°／90°取向提高 19.84% ；0°／90°取向的層間剪切強(qiáng)度比±45°取向提高99.60%。因此,AF取向?qū)?fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度有明顯影響,在其他工藝參數(shù)相同的情況下,AF單向取向的復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度最好。

2.2 打印速度對(duì)復(fù)合材料層間剪切性能的影響

基于高效率成形復(fù)合材料,研究不同打印速度成形復(fù)合材料,設(shè)計(jì)8,12,16,24,30 mm／s共5種打印速度,選擇打印層厚為0.75 mm,打印間距為1.2 mm,其它工藝參數(shù)見(jiàn)表1,成形不同打印速度下的復(fù)合材料樣品。不同打印速度下成形復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度如圖3所示。由圖3可以看出,隨著打印速度的提升,復(fù)合材料樣品的層間剪切強(qiáng)度先增大后減小,在打印速度為16 mm／s時(shí),復(fù)合材料樣品的層間剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值,為14.22 MPa；打印速度為30 mm／s時(shí)的層間剪切強(qiáng)度達(dá)到最小值,為12.40 MPa,最大層間剪切強(qiáng)度較最小層間剪切強(qiáng)度提高14.68%。其原因是打印噴頭的溫度恒定,隨著打印速度的升高,打印噴頭對(duì)復(fù)合絲材的加熱熔融作用時(shí)間縮短,相同長(zhǎng)度的熔融復(fù)合絲材的加熱量減少,其與已打印層進(jìn)行層間復(fù)合的熱量降低,直接影響復(fù)合材料的層間結(jié)合強(qiáng)度。

圖3 不同打印速度下成形復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度

2.3 打印層厚對(duì)復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度的影響

針對(duì)不同打印層厚的復(fù)合材料設(shè)計(jì)了0.66,0.7,0.75,0.8 mm和0.85 mm共5種打印層厚,設(shè)定打印速度為16 mm／s,打印間距為1.2 mm,其它參數(shù)見(jiàn)表1,成形不同打印層厚下的復(fù)合材料樣品。不同打印層厚下成形復(fù)合材料樣品的層間剪切強(qiáng)度如圖4所示。

圖4 不同打印層厚下成形復(fù)合材料樣品的層間剪切強(qiáng)度

由圖4可以看出,隨著打印層厚的增加,復(fù)合材料樣品的層間剪切強(qiáng)度逐漸減小。當(dāng)打印層厚從0.66 mm增加到0.85 mm時(shí),復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度由最大值14.85 MPa降低到最小值7.15 MPa,降低了51.85%。因?yàn)殡S著打印層厚的增加,打印噴頭與工作臺(tái)或已打印層之間的距離增大,打印噴頭對(duì)其擠出的熔融復(fù)合絲材的隨形打印壓力減小,使樣品層間的結(jié)合效果降低；同時(shí)隨著打印層厚的增加,樣品的層間和道間孔隙或縫隙變大,進(jìn)一步降低了樣品的層間結(jié)合效果,因此隨著打印層厚的增加,復(fù)合材料樣品的層間剪切強(qiáng)度降低。研究采用的復(fù)合絲材直徑為0.89 mm,當(dāng)打印層厚等于或超過(guò)復(fù)合絲材直徑時(shí),熔融的復(fù)合絲材無(wú)法粘附于工作臺(tái)上,最終無(wú)法成形復(fù)合材料樣品。

2.4 打印間距對(duì)復(fù)合材料層間剪切性能的影響

針對(duì)不同打印間距的復(fù)合材料,設(shè)計(jì)了1.2,1.3,1.4,1.5,1.6 mm共5種打印間距,設(shè)定打印速度為16 mm／s,打印層厚為0.66 mm,其它工藝參數(shù)見(jiàn)表1,成形不同打印間距下的復(fù)合材料樣品。不同打印間距下成形復(fù)合材料樣品的層間剪切強(qiáng)度如圖5所示。

圖5 不同打印間距下成形復(fù)合材料樣品的層間剪切強(qiáng)度

從圖5可以看出,隨著打印間距的增加,連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)打印間距從1.2 mm增加到1.6 mm時(shí),復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度由最大值14.85 MPa降低到最小值9.08 MPa,降低了38.86%。通過(guò)觀察打印樣品外觀發(fā)現(xiàn),打印間距為1.6 mm時(shí)打印樣品道間的縫隙十分明顯。這是由于打印間距為1.6 mm時(shí),已超過(guò)噴嘴直徑1.5 mm,以至于一定長(zhǎng)度的熔融復(fù)合絲材被擠出打印后,其成形單束寬度小于等于1.5 mm,因此打印道間產(chǎn)生了明顯縫隙,致使復(fù)合材料抵抗層間剪切破壞的能力降低。

3 結(jié)論

針對(duì)連續(xù)纖維增材制造技術(shù)成形PLA／AF復(fù)合材料,研究了不同纖維取向、打印速度、打印層厚、打印間距工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度的影響,得出如下結(jié)論：

(1)在AF不同取向的復(fù)合材料樣品中,AF單向取向的復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度最高,0°／90°取向的層間剪切強(qiáng)度較低,而±45°取向的層間剪切強(qiáng)度最低。

(2)在打印層厚為0.75 mm、打印間距為1.2 mm工藝參數(shù)下,隨著打印速度的增加,復(fù)合材料樣品的層間剪切強(qiáng)度先增大后減小,當(dāng)打印速度為16 mm／s時(shí),復(fù)合材料樣品的層間剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值,為14.22 MPa。

(3)在打印速度為16 mm／s、打印間距為1.2 mm工藝參數(shù)下,隨著打印層厚的增加,復(fù)合材料樣品的層間剪切強(qiáng)度降低,當(dāng)打印層厚為0.66 mm時(shí),復(fù)合材料樣品的層間剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值,為 14.85 MPa。

(4)在打印層厚為0.66 mm、打印速度為16 mm／s工藝參數(shù)下,隨著打印間距的增加,復(fù)合材料樣品的層間剪切強(qiáng)度降低,當(dāng)打印間距為1.2 mm時(shí),復(fù)合材料樣品的層間剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值,為14.85 MPa。