陳意偉，單忠德，楊旭靜，張麗嬌，李明高

(1.湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082； 2.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； 3.南京航空航天大學(xué)，南京 210016； 4.中車(chē)工業(yè)研究院有限公司，北京 100070)

連續(xù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工船舶、汽車(chē)電子等領(lǐng)域[1–2]。相比于熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料，熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料具有韌性大、抗沖擊、損傷容限大和可回收等優(yōu)點(diǎn)，因此更加具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[3–4]。傳統(tǒng)的熱塑性復(fù)合材料成型工藝如模壓成型、拉擠成型、纏繞成型等成型工藝復(fù)雜、模具依賴(lài)度高、成型周期長(zhǎng)、制造成本高且無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件一體化成型，嚴(yán)重制約了其應(yīng)用范圍[5–7]。增材制造(又稱(chēng)3D打印)技術(shù)是一種基于離散-堆積原理的三維實(shí)體自由成型制造新技術(shù)，可由三維模型數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)直接制造零部件，具有設(shè)計(jì)自由度高、材料利用率高、加工周期短，且可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件一體化成型等優(yōu)勢(shì)[8–11]。將增材制造技術(shù)應(yīng)用于熱塑性復(fù)合材料的制備，可充分發(fā)揮復(fù)合材料的性能優(yōu)勢(shì)和3D打印的制造優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料制件短周期、高性能、一體化制造，進(jìn)一步拓展熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用范圍[12–13]。

常用的連續(xù)纖維增材制造熱塑性樹(shù)脂包括聚乳酸(PLA)[14–15]、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)[16]、聚酰胺(PA)[17–18]等。隨著航空航天發(fā)展及對(duì)材料需求的不斷提高，高性能熱塑性樹(shù)脂聚醚醚酮(PEEK)逐漸成為研究熱點(diǎn)。采用PEEK作為基體材料，可使復(fù)合材料具有良好的韌性、耐腐蝕性和耐高溫性，在航空航天等高科技領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景[19]。但由于PEEK分子鏈呈剛性且非極性，熔融態(tài)黏度高，且碳纖維的類(lèi)石墨結(jié)構(gòu)使其表面呈現(xiàn)化學(xué)惰性，不易被樹(shù)脂浸潤(rùn)和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與樹(shù)脂界面結(jié)合力較弱[20]。此外，基于層層堆積成型的復(fù)合材料，層間結(jié)合較弱，層間強(qiáng)度有限，成為限制其應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸[21]。

截至目前，關(guān)于連續(xù)纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料的增材制造相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少。Luo等[22]實(shí)現(xiàn)了連續(xù)纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料的增材制造，并通過(guò)激光輔助預(yù)熱層間剪切強(qiáng)度達(dá)到了35 MPa，彎曲強(qiáng)度達(dá)到了480 MPa。為進(jìn)一步改善界面結(jié)合，Luo等[23]揭示了多尺度弱界面結(jié)合機(jī)理，并采用了等離子-激光雙重界面優(yōu)化工藝，使得成型制件層間強(qiáng)度達(dá)到了39.05 MPa。但是，目前缺乏關(guān)于連續(xù)纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料增材制造的基礎(chǔ)工藝優(yōu)化研究的文獻(xiàn)報(bào)道。

筆者采用了多熱力場(chǎng)耦合作用下的連續(xù)纖維增材制造成型工藝，并基于正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，探究了噴頭溫度、打印速度和分層厚度等工藝參數(shù)對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料彎曲性能和成型精度的影響規(guī)律，通過(guò)主效應(yīng)圖與方差分析確定不同工藝參數(shù)的影響程度，獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)，為連續(xù)纖維增強(qiáng)PEEK的增材制造及應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 主要原材料

PEEK：ZYPEEK-310G，吉林省中研高分子材料股份有限公司；

碳纖維：T300-3K，日本東麗公司。

1．2 主要儀器及設(shè)備

激光共聚焦顯微鏡：KEYENCE VK-X250型，日本基恩士公司；

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

預(yù)浸絲材成型設(shè)備、連續(xù)纖維增材制造設(shè)備：自制。

1．3 樣件制備

筆者采用了基于多熱力場(chǎng)耦合作用下的連續(xù)纖維增材制造成型工藝。圖1為熱力耦合作用下的預(yù)浸絲材成型工藝示意圖，圖2為熱力耦合作用下的連續(xù)纖維增材制造成型工藝示意圖。如圖1所示，熱塑性樹(shù)脂PEEK粒料經(jīng)雙螺桿加熱熔融擠出至彎曲流道浸漬模具，連續(xù)纖維在收卷輥的牽引作用下，經(jīng)過(guò)充滿(mǎn)熔融樹(shù)脂的彎曲流道。由于熔融樹(shù)脂的流動(dòng)性和熔體壓力的作用，促使樹(shù)脂進(jìn)入纖維束內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維的浸漬。在浸漬過(guò)程中，模具溫度決定了樹(shù)脂的黏度和流動(dòng)性，而牽引速度嚴(yán)重影響著熔體壓力及浸漬時(shí)間。通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化，選取模具溫度390℃，牽引速度7 mm/s的成型參數(shù)制備絲材。最終，絲材通過(guò)?？谛纬芍睆揭欢ǖ倪B續(xù)纖維增強(qiáng)PEEK預(yù)浸絲材。如圖2所示，成型后的預(yù)浸絲材經(jīng)打印噴頭的加熱熔融，并在打印噴頭的壓力作用下，按照特定的掃描路徑逐層打印，層層堆積成型打印制件。

圖2 連續(xù)纖維增材制造成型示意圖

1．4 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探究不同工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料制件彎曲性能和成型精度的影響規(guī)律，將噴頭溫度(A)、打印速度(B)和層間厚度(C)三個(gè)工藝參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，并且設(shè)置一個(gè)空列作為實(shí)驗(yàn)誤差用來(lái)衡量實(shí)驗(yàn)的可靠性。實(shí)驗(yàn)因素水平選取見(jiàn)表1，采用L9(34)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)探究工藝參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3組。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

1．5 精度表征與性能測(cè)試

基于開(kāi)發(fā)的工藝和裝置，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 14125:1998，打印制備了標(biāo)準(zhǔn)彎曲樣件。為表征工藝參數(shù)對(duì)成型精度的影響規(guī)律，掃描樣件表面獲得打印制件表面形貌和表面粗糙度；為評(píng)估不同工藝參數(shù)對(duì)彎曲性能的影響，基于力學(xué)測(cè)試平臺(tái)，開(kāi)展打印制件彎曲性能測(cè)試，加載速率為5 mm/s，經(jīng)計(jì)算獲得不同參數(shù)下的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量。

2 結(jié)果與討論

2．1 成型精度分析

連續(xù)纖維增材制造是基于分層打印層層堆積成型原理，而在單層成型過(guò)程中，則是通過(guò)單道打印實(shí)現(xiàn)，因此打印道間的粘接質(zhì)量對(duì)成型性能和精度有著重要的影響。圖3為不同工藝參數(shù)組合下成型制件表面形貌圖。通過(guò)觀察圖3發(fā)現(xiàn)，打印道間存在不同尺寸的孔隙，這主要是由于增材制造過(guò)程中打印絲材與成型制件間的粘接質(zhì)量差導(dǎo)致的，進(jìn)而影響成型質(zhì)量的表面粗糙度。通過(guò)進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)，工藝參數(shù)對(duì)道間粘接質(zhì)量有著重要影響。當(dāng)分層厚度為0.4 mm (如圖3a、圖3f和圖3h所示)時(shí)，道間粘接質(zhì)量較好，孔隙尺寸較小，而當(dāng)分層厚度為0.5 mm和0.6 mm時(shí)，道間粘接質(zhì)量較差，孔隙尺寸變大，即分層厚度的大小對(duì)道間粘接質(zhì)量和孔隙形成具有重要影響。

圖3 不同噴頭溫度、打印速度和層間厚度組合下的成型制件表面形貌圖

為進(jìn)一步評(píng)估工藝參數(shù)對(duì)成型精度的影響，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案統(tǒng)計(jì)了不同工藝參數(shù)下成型制件的表面粗糙度，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴頭溫度為350℃、打印速度為6 mm/s、層間厚度為0.6 mm時(shí)，打印樣件表面粗糙度最大，為65.04 μm。而當(dāng)噴頭溫度為390℃、打印速度為4 mm/s、層間厚度為0.4 mm時(shí)，打印樣件表面粗糙度最小，為25.41 μm。

表2 不同工藝參數(shù)下打印樣件表面粗糙度 μm

2．2 彎曲性能分析

圖4為正交實(shí)驗(yàn)不同工藝參數(shù)下的打印樣件彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)?？梢园l(fā)現(xiàn)，在達(dá)到最大彎曲應(yīng)力以前，所有曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力隨應(yīng)變線(xiàn)性增加。在此過(guò)程中，部分曲線(xiàn)出現(xiàn)小的波動(dòng)，這主要是在加載過(guò)程中彎曲樣件層間斷裂所致。當(dāng)達(dá)到最大強(qiáng)度后，樣件發(fā)生彎曲斷裂，應(yīng)力急劇下降。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，不同工藝參數(shù)對(duì)打印制件的彎曲性能影響較大。

圖4 不同工藝參數(shù)下打印樣件彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

表3為根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案統(tǒng)計(jì)的不同工藝參數(shù)下成型制件的彎曲性能結(jié)果。從表3數(shù)據(jù)可知，不同工藝參數(shù)下的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量具有較大差異。當(dāng)噴頭溫度為350℃、打印速度為6 mm/s、層間厚度為0.6 mm時(shí)，打印樣件彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量最小，分別為153.91 MPa和8.83 GPa。而當(dāng)噴頭溫度為390℃、打印速度為4 mm/s、層間厚度為0.4 mm時(shí)，打印樣件彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量最大，分別為330.97 MPa和54.50 GPa。

表3 不同工藝參數(shù)下打印樣件彎曲性能

2．3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖5為表面粗糙度、彎曲彈性模量和彎曲強(qiáng)度的主效應(yīng)圖，該圖是由各因素水平的響應(yīng)均值連線(xiàn)繪制而成。從圖5可以得到各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律和影響大小，且不同水平下的均值相差越大表明該因素的變動(dòng)對(duì)結(jié)果影響越大。對(duì)于表面粗糙度，主效應(yīng)圖結(jié)果表明三個(gè)因素影響大小的排序?yàn)椋篊>B>A，即分層厚度的變化對(duì)樣件表面粗糙度影響最大，其次是打印速度，而噴頭溫度影響最小。最佳工藝參數(shù)組合是A3B1C1，即噴頭溫度為390℃，打印速度為2 mm/s，層間厚度為0.4 mm時(shí)，樣件的表面粗糙度最小。

圖5 表面粗糙度、彎曲彈性模量和彎曲強(qiáng)度主效應(yīng)圖

針對(duì)彎曲彈性模量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明三個(gè)因素影響大小的排序?yàn)椋篊>A>B，即分層厚度的變化對(duì)樣件彎曲彈性模量影響最大，其次是噴頭溫度和打印速度。此外，由主效應(yīng)圖可確定最佳工藝參數(shù)組合是A3B1C1，即噴頭溫度為390℃，打印速度為2 mm/s，分層厚度為0.4 mm時(shí)，樣件的彎曲彈性模量最高。

彎曲強(qiáng)度的主效應(yīng)結(jié)果表明三個(gè)因素影響大小的排序?yàn)椋篊>B>A，即分層厚度的變化對(duì)樣件彎曲強(qiáng)度影響最大，其次是打印速度，而噴頭溫度影響最小。此外，最佳工藝參數(shù)組合是A3B1C1，即噴頭溫度為390℃，打印速度為2 mm/s，層間厚度為0.4 mm時(shí)，樣件的彎曲強(qiáng)度最高。

表4為各因素對(duì)表面粗糙度方差分析結(jié)果。根據(jù)表4方差分析的數(shù)據(jù)結(jié)果可以計(jì)算得到P值。當(dāng)P值≤0.01時(shí)，表明該因素對(duì)結(jié)果有極顯著影響，當(dāng)0.010.05時(shí)，表明該因素對(duì)結(jié)果影響不顯著。由表4可見(jiàn)，方差分析結(jié)果表明各因素在選定參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)表面粗糙度影響不顯著。

表4 表面粗糙度方差分析結(jié)果

彎曲彈性模量的方差分析結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可以看出，噴頭溫度(P值=0.022)和打印速度(P值=0.010)對(duì)彎曲彈性模量有顯著影響，而分層厚度(P值=0.002)對(duì)彎曲彈性模量有極顯著影響。

表5 彎曲彈性模量方差分析結(jié)果

彎曲強(qiáng)度方差分析結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可以看出，噴頭溫度(P值=0.025)對(duì)彎曲強(qiáng)度影響顯著，打印速度(P值=0.182)對(duì)彎曲強(qiáng)度影響不顯著，而分層厚度(P值=0.003)對(duì)彎曲強(qiáng)度有極顯著影響。

表6 彎曲強(qiáng)度方差分析結(jié)果

2．4 試驗(yàn)驗(yàn)證

將最佳工藝參數(shù)A3B1C1 (噴頭溫度390℃，打印速度2 mm/s，分層厚度0.4 mm)用于連續(xù)纖維增材制造，并對(duì)成型制件進(jìn)行表面粗糙度和彎曲性能表征。經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)，得到彎曲彈性模量為57.05 GPa，彎曲強(qiáng)度為355.07 MPa，高于正交實(shí)驗(yàn)中的最大彎曲彈性模量(54.50 GPa)和彎曲強(qiáng)度(330.97 MPa)，表面粗糙度為24.99 μm，低于正交實(shí)驗(yàn)中的最小表面粗糙度(25.41 μm)。

3 結(jié)論

(1)分層厚度越小，道間結(jié)合質(zhì)量越好，成型制件表面粗糙度越小，彎曲彈性模量和彎曲強(qiáng)度越高。而隨著分層厚度增大，打印道間孔隙增大，表面粗糙度逐漸增大，而彎曲強(qiáng)度和彎曲模量逐漸減小。

(2)分層厚度對(duì)表面粗糙度、彎曲彈性模量和彎曲強(qiáng)度的影響最大。主效應(yīng)分析表明最優(yōu)工藝參數(shù)為噴頭溫度390℃，打印速度2 mm/s，分層厚度0.4 mm。經(jīng)驗(yàn)證，彎曲彈性模量為57.05 GPa，彎曲強(qiáng)度為355.07 MPa，表面粗糙度為24.99 μm。

(3)方差分析表明各因素在選定參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)表面粗糙度影響不顯著。分層厚度對(duì)彎曲彈性模量和彎曲強(qiáng)度具有極顯著影響，噴頭溫度對(duì)彎曲彈性模量和彎曲強(qiáng)度具有顯著影響，打印速度對(duì)彎曲彈性模量具有顯著影響，而對(duì)彎曲強(qiáng)度影響不顯著。