連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料3D打印裝備與參數(shù)調(diào)控

西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院□劉騰飛 田小永

中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心□薛 蓮

1 引言

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、比重小、可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)點，在航空航天、軍事國防、汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，特別是對于纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，相比于熱固性復(fù)合材料其具有更高的沖擊韌性、更短的成型周期以及可回收性等優(yōu)勢，近年來得到越來越多的關(guān)注與應(yīng)用，形成了一系列相對成熟的制造技術(shù)，主要有熱壓成形、纏繞成形、鋪放成形、RTM成形等，但傳統(tǒng)制造技術(shù)一方面工藝流程復(fù)雜，需要設(shè)計專用的模具，周期長，成本高；另一方面，模具的存在限制了零件結(jié)構(gòu)，難以一體化成形復(fù)雜構(gòu)件，通常需要配合復(fù)雜的機(jī)加與膠接等后處理技術(shù)實現(xiàn)，既提高了加工成本，連接處也會導(dǎo)致構(gòu)件整體性能的下降，傳統(tǒng)成形工藝的缺點成為限制復(fù)合材料進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸，克服以上瓶頸開發(fā)新的成形工藝是促進(jìn)復(fù)合材料長遠(yuǎn)發(fā)展的重中之重。

為解決傳統(tǒng)復(fù)合材料制造技術(shù)面臨的共性問題，近年來研究者提出了將3D打印技術(shù)應(yīng)用于纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制造過程中，3D打印具有無模自由成形的技術(shù)優(yōu)勢，能夠擺脫高昂的模具限制與冗長的工藝流程，大大降低復(fù)合材料的加工成本與時間成本，此外3D打印具有更多的設(shè)計與制造自由度，理論上可以制造任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，恰好能夠克服傳統(tǒng)復(fù)合材料制造技術(shù)的不足，具有實現(xiàn)復(fù)合材料低成本、一體化制造的潛力，但在早期大多數(shù)采用的都是增強(qiáng)顆粒或者短切纖維進(jìn)行3D打印，復(fù)合材料的力學(xué)性能較3D打印純塑料的提升效果均十分有限，無法滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。

本文研究了一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印技術(shù)，建立了成形機(jī)理，設(shè)計開發(fā)了集成打印頭模塊，搭建了原理樣機(jī)，以連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍6為原材料探索打印工藝，研究了采用雙級噴嘴對其進(jìn)行參數(shù)調(diào)控的方法，獲得了不同工藝參數(shù)對復(fù)合材料纖維含量與力學(xué)性能的影響規(guī)律，實現(xiàn)了復(fù)合材料性能可控制造。

2 成形原理與原理樣機(jī)

（1） 成形原理

本文研究一種基于熔融沉積成形 （FDM）的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印技術(shù)（CFRTP-FDM），其成形原理如圖1所示。打印流程與FDM工藝相似，最大的區(qū)別在于該技術(shù)是將連續(xù)纖維與熱塑性樹脂絲材同時送入到打印頭內(nèi)，主要包括熔融浸漬、擠出沉積與堆積成形三個過程：熔融浸漬過程為復(fù)合材料的制備過程，分別以連續(xù)纖維與熱塑性樹脂絲材為原材料，二者同時送入到同一個3D打印頭，在打印頭內(nèi)部樹脂加熱熔融之后浸漬纖維束形成復(fù)合材料，之后從噴嘴出口處擠出沉積在打印平面上，隨后樹脂基體在空氣中迅速冷卻，一方面粘附在打印平臺上，另一方面將纖維固定防止被拉出，已經(jīng)固定的纖維束會對后續(xù)擠出的熔融樹脂中的纖維產(chǎn)生軸向拉力，在該拉力作用下，連續(xù)纖維能夠不斷地從噴嘴中被拉出；堆積成形過程是在打印路徑控制下，3D打印頭擠出復(fù)合材料由線到面、由面到體逐漸堆積成形三維零件。

圖1CFRTP-FDM成形原理

（2）原理樣機(jī)

根據(jù)CFRTP-FDM工藝成形原理，借鑒傳統(tǒng)桌面型FDM打印設(shè)備設(shè)計開發(fā)原理樣機(jī)，如圖2所示，主要由復(fù)合材料集成打印頭模塊、三維運動模塊、溫度控制模塊、運動控制模塊等組成，其中最為核心為其集成打印頭模塊，與傳統(tǒng)FDM打印頭區(qū)別較大需要進(jìn)行獨立設(shè)計。打印頭模塊主要由纖維與樹脂送絲單元、加熱單元、散熱單元三部分組成，為保證樹脂與纖維同時輸送，在同一加熱塊內(nèi)部設(shè)計兩個獨立的材料入口以及通道，兩處通道在下方噴嘴內(nèi)部熔融腔處交匯在高溫與內(nèi)部壓力作用下完成兩種材料的復(fù)合，最終從噴嘴下方同一出口處擠出，其中樹脂絲材的輸送采用傳統(tǒng)FDM遠(yuǎn)程送絲的方式，在纖維輸送過程中為防止纖維發(fā)生摩擦損傷，采用聚四氟乙烯管將連續(xù)纖維送入加熱塊內(nèi)部，之后在加熱塊上端嵌套纖維導(dǎo)管，連續(xù)纖維通過纖維導(dǎo)管的內(nèi)孔進(jìn)入到噴嘴內(nèi)部，同時對與纖維直接接觸的零部件進(jìn)行圓弧倒角處理，特別是在噴嘴出口處纖維擠出時，實驗發(fā)現(xiàn)噴嘴出口端對擠出材料有一定壓力作用纖維受到剪切力特別容易被剪斷，需要對噴嘴出口處進(jìn)行微倒角設(shè)計以加工專用噴嘴。打印頭模塊的其他單元以及原理樣機(jī)其他模塊的設(shè)計都與傳統(tǒng)FDM工藝相同。

3 雙級噴嘴工藝參數(shù)調(diào)控

與傳統(tǒng)FDM工藝相似，在CFRTP-FDM過程中存在多個打印工藝參數(shù)，本文以連續(xù)碳纖維（1K-T300B-1000，日本東麗）與尼龍6（PA6，中國施派普瑞）為原材料，利用開發(fā)的原理樣機(jī)對打印工藝參數(shù)開展研究，主要包括打印頭溫度（T1，℃）、 底板溫度 （T2，℃）、 打印速度 （V，mm/min）、分層厚度 （L，mm）、掃描間距 （H，mm）、送絲速度 （E，mm/min）六個參數(shù)，打印頭溫度T1主要用于融化樹脂與纖維復(fù)合，根據(jù)PA6的熔點選擇270℃，底板溫度T2用于增加打印過程中底板與零件的粘結(jié)力，對于尼龍6打印溫度高且存在結(jié)晶行為因此在冷卻過程中會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，容易造成零件發(fā)生收縮、翹曲變形從底板上剝離，為此本文選擇較高的底板溫度為120℃，以上兩個溫度可以利用溫度控制模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)；打印速度V指的是噴頭模塊的移動速度，由于連續(xù)碳纖維的存在，過快的速度會導(dǎo)致纖維與樹脂在噴嘴內(nèi)部的復(fù)合時間變短，且容易造成纖維損傷，為此選擇100mm/min的打印速度；分層厚度L指的是3D打印相鄰層之間的距離，可以在每一層打印結(jié)束后改變Z軸的上升高度進(jìn)行調(diào)整，掃描間距H指的是3D打印相鄰線之間的距離，在純塑料FDM打印過程中，一般掃描間距的大小是與打印頭下方的噴嘴出口直徑相同，改變掃描間距需要更換不同出口直徑的噴嘴即可，但對于CFRTP-FDM工藝，若采用傳統(tǒng)的整體式單級噴嘴，如圖3a）所示，當(dāng)掃描間距較小時，噴嘴出口直徑D較小，噴嘴出口處倒角不易加工，出口存在較鋒利的加工面，打印過程中纖維比較容易被破壞。噴嘴直徑D較大時，其掃描間距與噴嘴直徑不相匹配，導(dǎo)致打印過程中樹脂吐絲量不均勻，從而導(dǎo)致制件表面質(zhì)量差。為改變整體式單級噴嘴帶來的問題，本文創(chuàng)新性設(shè)計出可拆卸式嵌套雙級噴嘴，如圖3b）、圖3c）所示，內(nèi)部為直徑可變的一級內(nèi)嵌噴嘴D1，外部嵌套二級噴嘴D2，二者通過螺紋連接。在打印過程中D1用于控制樹脂的吐絲量，掃描間距改變時，D1隨之改變；過渡段是一級噴嘴出口與二級噴嘴出口之間的垂直距離，能夠保證纖維與噴嘴相垂直而使得纖維不受剪力，在打印過程中不會破壞及剪斷纖維；二級噴嘴D2采用出口直徑較大圓滑過渡的噴嘴，對纖維的剪切作用較小，在打印過程中由于噴嘴加熱，對沿打印方向前端的復(fù)合材料起到預(yù)熱的作用，對沿打印方向后端的復(fù)合材料起到熱壓作用。送絲速度E指的是單位時間內(nèi)進(jìn)入打印頭內(nèi)部PA6樹脂量，通過改變送絲步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，該參數(shù)并不是獨立存在而是與掃描間距與分層厚度相互耦合的，送絲速度的大小根據(jù)不同的H與L存在合適的參數(shù)值。

圖2 CFRTP-FDM集成打印頭模塊與原理樣機(jī)

本文主要研究分層厚度L、掃描間距H、送絲速度E三個工藝參數(shù)的變化，根據(jù)前期的探索性實驗選擇了兩組不同的參數(shù)組合，分別為H1.0/L0.3/E70以及H0.5/L0.2/E60，兩組工藝參數(shù)組合下打印的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PA6復(fù)合材料（CCF/PA6）樣件如圖3d）所示。

圖3CFRTP-FDM雙級噴嘴工藝參數(shù)調(diào)控

4 纖維含量與力學(xué)性能

采用燃燒法 （ASTMD3171-15）檢測兩組工藝參數(shù)組合下CCF/PA6復(fù)合材料中的纖維體積含量，如圖4所示，在工藝參數(shù)組合H1.0/L0.3/E70時復(fù)合材料的纖維體積含量為16.4vol%左右，而在H0.5/L0.2/E60時的纖維含量得到了大幅度的提升，達(dá)到了44.1vol%左右，主要是由于后者纖維鋪放的層數(shù)以及每一層的行數(shù)更多。

兩組工藝參數(shù)組合下復(fù)合材料的力學(xué)性能如圖5所示，CCF/PA6復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與模量由H1.0/L0.3/E70的235.6MPa與25.2GPa分別提升到 H0.5/L0.2/E60的 405MPa與 80.6GPa，彎曲強(qiáng)度與模量由H1.0/L0.3/E70的229.3MPa與9.9GPa分別提升到H0.5/L0.2/E60的565.8MPa與62.1GPa，力學(xué)性能的提升主要原因是由于纖維含量的增加。

圖4 工藝參數(shù)對纖維含量的影響

圖5 工藝參數(shù)對力學(xué)性能的影響

5 結(jié)論

本文研究了一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料熔融沉積成形3D打印技術(shù) （CFRTP-FDM），建立了其熔融浸漬-擠出沉積-堆積成形的工藝原理，設(shè)計了復(fù)合材料集成打印頭模塊實現(xiàn)了樹脂與纖維的同時輸送與復(fù)合，搭建了原理樣機(jī)，可實現(xiàn)復(fù)合材料低成本一體化快速制造，設(shè)計二級噴嘴實現(xiàn)打印工藝參數(shù)的精確調(diào)控，從而獲得具有不同纖維含量與力學(xué)性能的復(fù)合材料，實現(xiàn)復(fù)合材料的性能可控制造。