蘇文璐，盧立成，錢波，茅健，4，張立強，劉鋼，2，3

(1.上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201600； 2.成都智遠先進制造技術研究院，成都 610000；3.機械工業(yè)航空大型復雜薄壁構件智能制造技術重點實驗室，上海 201600； 4.上海交通大學四川研究院，成都 610000)

3D打印又稱增材制造，是一種基于三維模型數據、可實現任何復雜零件快速成型制造的技術[1]。連續(xù)纖維增強聚合物復合材料(CFRPCs)是一種以連續(xù)纖維為增強體，樹脂聚合物為基體的高性能復合材料[2]，該復合材料具有比模量高、比強度高、耐高溫、耐腐蝕等特點，已廣泛應用于汽車、飛機和航天等領域[3-4]。近年來，隨著3D打印技術的發(fā)展，熔融沉積型(FDM)3D打印工藝為CFRPCs的無模快速成型制造提供了新思路[5]。為了提高打印制件的力學性能，打印材料不再局限于聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、尼龍(PA)等原始強度較弱的單一聚合物，而是在樹脂基體中摻入短切纖維顆粒起到一定增強作用，Carneiro等[6]發(fā)現在聚丙烯(PP)中加入短切玻璃纖維可提高40% 的拉伸強度，Ning等[7]通過在ABS中加入不同含量的短切碳纖維顆粒以提高打印制件的拉伸和彎曲性能。然而，由于短切碳纖維的承載能力有限，使用短切碳纖維對力學性能的改善并不明顯[8-9]，而連續(xù)纖維比短切纖維具有更高的力學性能[10]。因此，連續(xù)纖維作為增強體被廣泛應用于FDM 3D 打印工藝中，以獲得特定性能的復合材料結構件[11-13]。

然而，由于FDM 工藝逐層沉積構建的特點，打印過程中沉積線之間和沉積層之間的黏結力較弱，再加上噴嘴擠壓力不均勻，導致打印制件內部孔隙較多，影響了打印制件層間結合強度，Yavas 等[14]和Touchard 等[15]發(fā)現層間結合強度對3D 打印制件的力學性能起著重要作用。同時，在3D打印過程中，相互制約的打印工藝參數也在影響著打印制件的力學性能。Mosleh 等[16]通過改變噴嘴直徑、層厚和打印速度來研究連續(xù)碳纖維增強ABS 的最佳打印條件。Tian 等[17]研究了打印溫度、層厚和打印間距對連續(xù)碳纖維增強PLA復合材料彎曲性能的影響。由此可見，對于CFRPCs 3D 打印制件，其力學性能不僅取決于連續(xù)纖維的增強作用，還取決于打印參數和沉積線、層之間的相互作用。

雖然研究人員從多個方面對CFRPCs 3D 打印制件進行研究，但少有研究關注不同工藝參數下連續(xù)和短切碳纖維復合材料的協(xié)同增強作用。因此，筆者選用短切碳纖維增強尼龍6 復合材料作為基體，連續(xù)碳纖維作為增強體，采用FDM 3D 打印工藝，通過自主搭建的雙噴頭3D 打印設備制備打印件，基于正交試驗，通過改變連續(xù)碳纖維隔層數、連續(xù)纖維打印間距、打印溫度和打印速度研究各工藝參數對打印制件彎曲性能和拉伸性能的影響，并通過掃描電子顯微鏡分析了打印制件斷裂面沉積線、沉積層間的微觀形貌，確定了最佳的工藝參數。

1 3D打印工藝原理與平臺搭建

基于一種FDM 雙噴頭3D 打印工藝，其原理如圖1所示，打印原料分為樹脂絲材和連續(xù)纖維絲材，絲材通過擠出電機送至3D 打印頭，在打印頭內部加熱至熔融狀態(tài)通過噴嘴逐層鋪放至打印平臺，在該過程中，連續(xù)纖維會根據路徑跳轉點和結束點進行實時切斷動作。3D 打印頭會根據切片軟件生成的輪廓路徑和填充路徑打印，當單層實體構建完畢后，3D 打印頭會抬升一個層厚距離進行下一層打印，通過逐層堆積實現打印件的制造。

圖1 FDM雙噴頭3D打印工藝原理圖

根據上述工作原理，實驗室自主搭建了雙噴頭3D 打印實驗平臺，如圖2 所示，該實驗平臺采用笛卡爾式結構，X，Y，Z三軸運動相互獨立。3D打印雙噴頭搭載于X軸，其中樹脂絲材打印噴嘴直徑為0.4 mm，連續(xù)纖維打印噴嘴直徑為1 mm。打印制件的構建層如圖3 所示，連續(xù)纖維層選擇連續(xù)碳纖維(CCF)作為增強體，樹脂基體層選擇樹脂絲材作為基體進行打印，其中，樹脂絲材是以尼龍6為基材添加15%的短切CF構成的復合材料，稱為短切CF增強尼龍6 復合材料。通常，為增加打印制件首層附著性和整體對稱性，打印制件的底層和頂層由樹脂絲材打印。

圖2 連續(xù)纖維復合材料雙噴頭3D打印實驗平臺

1.1 3D打印原材料

短切CF 增強尼龍6 復合材料:Onyx，直徑1.75 mm，美國Markforged公司。

連續(xù)CF材料:CCF，直徑(0.38 ±0.02) mm，美國Markforged公司。

1.2 主要儀器及設備

3D打印機:自主搭建的連續(xù)纖維復合材料雙噴頭3D打印機；

微機控制電子萬能試驗機:ETM 304C 型，ETM5038B型，深圳萬測試驗設備有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM):EVO15型，德國卡爾蔡司公司。

1.3 實驗方案

將試樣模型以STL格式導出，在切片軟件中設置打印參數并進行切片，使用雙噴頭3D 打印機打印試樣。選擇連續(xù)纖維打印間距(A)、連續(xù)纖維隔層數(B)、打印溫度(C)和打印速度(D)4 個工藝參數作為研究內容，設計4 因素3 水平的正交試驗方法進行樣條制備，因素水平表見表1。為保證打印質量，打印前將噴嘴預熱至目標溫度，并清除噴嘴處的殘料，設定打印層厚為0.2 mm，短切CF 增強尼龍6 復合材料絲材填充比例為100%。打印結束后，將樣件放置密封袋內，待其自然冷卻到穩(wěn)定狀態(tài)后進行拉伸、彎曲測試。

表1 因素水平表

利用Solidworks 三維建模軟件繪制3D 打印制件，采用位移加載模式，利用電子萬能試驗機分別參照GB/T 1447-2005和GB/T 1449-2005測試樣品拉伸強度和彎曲強度。測試3 次后結果取均值，拉伸和彎曲速率均為10 mm/min；截取試樣并噴金后，利用SEM觀察其截面形貌。

2 結果與討論

利用SEM對短切CF增強尼龍6復合材料和加入CCF材料的層間斷裂樣貌進行形態(tài)分析，其SEM照片如圖4所示。由圖4a可見，CCF沿鋪放方向以絲束狀呈單向分布，纖維絲束間的孔隙是試驗過程中纖維被拉出的結果。圖4b是斷裂截面中短切CF增強尼龍6復合材料基體的微觀形貌，可以看出，短切CF顆粒被尼龍基體包覆，呈各向均勻分布，其中短切CF顆粒與尼龍基體間存在少量孔隙。

圖4 打印制件層間斷裂樣貌SEM照片

2.1 極差分析

正交試驗力學性能檢測結果見表2。

表2 正交試驗結果

為驗證CCF材料的增強性能，拉伸試驗組增加對照對象X1，彎曲試驗組增加對照對象X2，X1 和X2 均為短切CF 增強尼龍6 復合材料打印，不添加CCF。最終打印制件的拉伸強度和彎曲強度如圖5所示，X1 的拉伸強度為31.43 MPa，X2 的彎曲強度為30.88 MPa。該結果表明，在正交試驗組各工藝參數范圍內，連續(xù)纖維對打印試樣的拉伸性能和彎曲性能起到增強作用。

圖5 打印制件的拉伸強度和彎曲強度

對試驗數據進行極差分析，結果列于表3。表3中ki表示某一因素在i(i=1，2，3)水平時的試驗結果均值，極差R表示某一因素的極差值。各因素對試驗結果的影響程度的大小可用極差值來判斷。某因素的極差值越大，表明在試驗范圍內該因素的取值對試驗結果的影響越大。由表3 可知，對于制件的拉伸強度和彎曲強度，最佳試驗條件均為A1B1C2D2，即CCF打印間距為0.5 mm，CCF隔層數為1、打印溫度為250 ℃，打印速度為900 mm/min，此時制件的拉伸強度和彎曲強度達到最大值，分別為109.73 MPa和119.14 MPa，與短切CF增強尼龍6復合材料相比，打印制件的拉伸強度提升了249%，彎曲強度提升了286%。

表3 極差分析結果

對于制件的拉伸強度來說，影響因素A，B，C，D的極差分別為49.18，14.51，5.84 和3.45。所以4 個因素中對拉伸強度影響由強到弱依次為連續(xù)纖維打印間距、連續(xù)纖維層數、打印溫度和打印速度，即A＞B＞C＞D；對于制件的彎曲強度來說，影響因素A，B，C，D的極差分別為43.33，13.44，4.56 和5.31。因此4個因素中對彎曲強度影響由強到弱依次為連續(xù)纖維打印間距、連續(xù)纖維隔層數、打印速度和打印溫度，即A＞B＞D＞C。

2.2 單因素試驗分析

為了更直觀地說明各因素對打印制件力學性能的影響，采用單因素法研究連續(xù)纖維打印間距、連續(xù)纖維層數、打印溫度和打印速度四因素對制件拉伸強度和彎曲強度的影響。不同因素水平制件下的平均值如圖6所示。

圖6 拉伸強度和彎曲強度的因子各水平趨勢圖

由圖6可知，隨著CCF打印間距的增加，打印制件的拉伸強度和彎曲強度呈現減小趨勢，這是因為連續(xù)纖維填充方式為等輪廓填充，打印間距越大，連續(xù)纖維之間的重疊度越小。當打印間距為0.5 mm時，連續(xù)纖維之間保持良好的接觸，載荷可以有效地從基質轉移到纖維，打印制件的拉伸強度和彎曲強度達到最大值，隨著打印間距的增加，連續(xù)纖維之間的重疊度減小，只有部分載荷傳遞到連續(xù)纖維，因此隨著連續(xù)纖維打印間距的增加，打印制件的力學性能呈現遞減趨勢。

由圖6可知，隨著CCF隔層數的增加，打印制件的拉伸強度和彎曲強度呈現遞減趨勢。連續(xù)纖維隔層數示意圖如圖7 所示，當連續(xù)纖維隔層數為1時，CCF增強體與短切CF增強尼龍6復合材料基體逐層交替鋪放，此時打印制件的連續(xù)纖維含量最多，連續(xù)纖維起到主要的承載作用，因此打印制件的力學性能達到最高值。當連續(xù)纖維隔層數為2和3時，由于連續(xù)纖維層數減少，打印制件內部主要由CCF和短切CF增強尼龍6復合材料內的短切CF起到協(xié)同增強作用，但CCF 越少，這種協(xié)同增強作用越弱，因此打印制件的力學性能呈現遞減趨勢。

圖7 連續(xù)纖維隔層數示意圖

采用SEM對打印制件的層間斷裂面進行觀察，其微觀形貌SEM照片如圖8所示。

圖8 打印制件層間斷裂面孔隙分布圖

由圖8a可以看出，當連續(xù)纖維隔層數為1時，打印制件的層間結合界面為CCF與短切CF增強尼龍6 復合材料基體之間(C—O)的界面，圖8c 為C—O界面在100 μm選區(qū)尺寸下的微觀形貌，從中可以看出C—O 界面存在的孔隙主要有兩種，第一種是基體材料鋪放過程中絲與絲之間產生的孔隙，第二種是在基體層和增強體層間的不規(guī)則界面存在的孔隙。當發(fā)生斷裂時，載荷在連續(xù)纖維和基質間交替?zhèn)鬟f，載荷在傳遞過程中會造成一定損失，但此時連續(xù)纖維含量較多，連續(xù)纖維的增強作用會補償部分損失的強度，因此打印制件的力學性能達到最大值。當纖維隔層數為2 和3 時，層間結合界面包含兩種:短切CF增強尼龍6復合材料之間(O—O)的界面和C—O界面。圖8b為打印制件內部的O—O界面，由于O—O界面為同種材料的沉積層相互結合，因此孔隙量較少，由圖8d 可見，在20 μm 選區(qū)尺寸下對斷裂面進行觀察，發(fā)現O—O 界面的孔隙主要是層內沉積線在鋪放過程中結合不良導致的。

隨著打印溫度的增加，打印制件的拉伸性能和彎曲性能呈現先增大后減小的趨勢。打印溫度指的是噴嘴溫度，適當的噴嘴溫度可以確保絲材進入噴嘴內保持一定的熔融狀態(tài)并順利擠出。不同打印溫度下短切CF 增強尼龍6 復合材料和CCF 的分布情況如圖9 所示。由圖9a 可見，當打印溫度為240 ℃，噴嘴內的材料黏度較高，擠出時阻力較大，且擠出的短切CF 增強尼龍6 復合材料細絲之間黏結質量差，絲與絲之間產生孔隙，影響層間結合質量。由圖9b可以看出，較低溫度還會使打印制件的CCF產生剝離現象，影響打印制件的性能。由圖9c可以看出，當打印溫度為250 ℃時，短切CF 增強尼龍6 復合材料絲材絲間情況結合較好，絲間無明顯間隙，且基體間可以形成良好的層間結合界面。由圖9d可以看出，CCF分布均勻，斷裂面無剝離現象，因此打印制件的彎曲強度達到最高值。當打印溫度為260 ℃時，噴嘴內的材料偏液態(tài)，新一層的材料打印時會影響未凝固的沉積層，影響材料成型質量和打印制件的力學性能。因此隨著打印溫度的增加，打印制件的力學性能呈現先增加后減小的趨勢。

圖9 不同打印溫度下短切CF增強尼龍6復合材料和CCF的分布情況

打印速度是指在打印過程中噴嘴的移動速度，打印速度決定材料在噴嘴內的停留時間與整體成型效率。由圖7可知，隨著打印速度的增加，打印制件的拉伸強度和彎曲強度都呈現先增加后減小的趨勢。打印速度過低時，單位時間內絲材擠出量過少，打印層與沉積層結合界面較差；打印速度過高，會導致絲材在噴嘴中的停留時間過少，導致熔融不充分，影響打印制件成型性能。適當的打印速度會形成良好的層間結合界面，層內絲材均勻分布，使打印制件的力學性能達到最佳。因此隨著打印速度的增加，打印制件的力學性能呈現先增加后減小的趨勢。

3 結論

基于FDM 3D 打印工藝，研究了不同工藝參數對CCF 與短切CF 增強尼龍6 復合材料的拉伸強度和彎曲強度的影響，通過實驗室自主搭建的雙噴頭3D打印機制備了拉伸制件和彎曲制件，通過正交試驗分析了工藝參數對打印制件拉伸強度和彎曲強度的影響規(guī)律，確定了最佳工藝參數組合。主要結論如下:

(1)由正交試驗結果分析可知，CCF 與短切CF尼龍6 復合材料3D 打印制件拉伸強度和彎曲強度的最佳工藝參數組合均為A1B2C2D2，即CCF 打印間距為0.5 mm、CCF 隔層數為1、打印溫度為250 ℃、打印速度為900 mm/min。在最佳工藝參數組合下，打印制件的拉伸強度為109.73 MPa，彎曲強度為119.14 MPa與短切CF增強尼龍6復合材料相比，拉伸強度提升了249%，彎曲強度提升了286%。

(2)對正交試驗結果進行極差分析，結果表明，4個因素中對拉伸強度的影響由強到弱依次為CCF打印間距、CCF隔層數、打印溫度和打印速度，對彎曲強度的影響由強到弱依次為CCF打印間距、CCF隔層數、打印速度和打印溫度。

(3)采用單因素法對試驗結果進行分析，隨著CCF打印間距的增加，打印制件的拉伸強度和彎曲強度呈現減小的趨勢；隨著CCF 隔層數的增加，打印制件的拉伸強度和彎曲強度呈現減小的趨勢；隨著打印速度的增加，打印制件的拉伸強度和彎曲強度呈現先增大后減小的趨勢；隨著打印溫度的增加，打印制件的拉伸強度和彎曲強度呈現先增大后減小的趨勢。

(4)利用SEM 觀察打印制件的微觀形貌，進一步探究了打印制件的層間斷裂形貌特性和層內絲材分布規(guī)律。為提升CCF 和短切CF 增強尼龍6 復合材料3D打印制件的力學性能和優(yōu)化3D打印基礎工藝參數提供了理論依據與數據基礎。