纖維增強復(fù)合材料護目鏡增材制造成形研究

宋亞星，單忠德，戰(zhàn)麗，陳意偉，鄒愛玲，孫啟利

(機械科學(xué)研究總院集團有限公司先進成形技術(shù)與裝備國家重點實驗室，北京 100083)

纖維增強樹脂基復(fù)合材料憑借自身高的強度與模量、密度小、抗疲勞以及耐腐蝕等性能優(yōu)勢[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)勢應(yīng)用最為廣泛[4]。

增強體纖維可分為納米纖維、短纖維、長纖維以及連續(xù)纖維，不同的纖維增強復(fù)合材料的成形特性不同，依據(jù)目標制件結(jié)構(gòu)特征和成形要求，綜合選擇增強體纖維，研究成形相關(guān)工藝。部分學(xué)者研究了玻璃纖維增強丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)復(fù)合材料、碳纖維增強熱塑性聚氨酯復(fù)合材料、碳纖維增強ABS 復(fù)合材料等多種短纖維增強復(fù)合材料的打印工藝，研究表明添加纖維可提高抗拉強度和模量，但會降低韌性和延展性[5–7]。Emmett Hull 等[8]對復(fù)合材料的制備進一步研究，發(fā)現(xiàn)碳纖維含量、擠出溫度和噴嘴尺寸對出絲直徑、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體與樹脂基體的界面結(jié)合性，實現(xiàn)成形性能的提升[9–11]。短纖維增強復(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。美國橡樹嶺國家實驗室對短碳纖維(0.2～0.4 mm)增強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91.5%[12]。另一方面也可通過改變短纖維增強體的長徑比配合噴嘴尺寸結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)在打印方向上的纖維取向，從而沿打印方向增強剛度[13]。此外，通過研究擠出成型過程流場發(fā)現(xiàn)，阻壩擴張式機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PA 等常見復(fù)合材料。其中Roboze 在2017 年的Formnext 展會上推出了新設(shè)備ARGO 500 支持短碳纖維增強聚醚醚酮(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，短纖維增強復(fù)合材料的應(yīng)用已逐步進入到日常生活中。2020年初，新冠疫情爆發(fā)，護目鏡等醫(yī)療物資一度緊缺?，F(xiàn)有護目鏡生產(chǎn)采用注塑成形，存在摸具開發(fā)周期長，無法應(yīng)對定制化、小批量快速迭代的生產(chǎn)需求。因此筆者針對護目鏡結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計，采用短碳纖維增強聚乳酸(PLA)復(fù)合材料熔融沉積增材制造技術(shù)生產(chǎn)制備護目鏡，并進行相關(guān)工藝參數(shù)優(yōu)化研究，最終進行應(yīng)用測試，投入到企業(yè)生產(chǎn)防疫一線使用。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

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

1.2 主要設(shè)備及儀器

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

微機控制電子式萬能材料試驗機：WDW–100型，濟南東測公司；

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 實驗方法

通過三維掃描儀對不同人群的面部特征進行提取分析，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)，進行迭代優(yōu)化，結(jié)合短纖維增強復(fù)合材料熔融沉積成形工藝及防疫使用需求，設(shè)計出護目鏡框架結(jié)構(gòu)。將結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入切片軟件Repetier Host 進行切片及路徑生成，而后通過CAM-FAM500 設(shè)備進行成形制造。其中復(fù)合絲材通過送絲機構(gòu)熔融擠出，按切片路徑逐層掃描疊加成形，最終完成對樣件及護目鏡的制造。

采用萬能材料試驗機以2 mm／min 的加載速率對試樣進行拉伸性能測試，以其拉伸強度作為評價成形工藝參數(shù)優(yōu)劣的指標，指導(dǎo)護目鏡打印工藝參數(shù)選擇。以優(yōu)化出的工藝參數(shù)組合進行護目鏡樣件的成形制造，并采用三維掃描儀分析尺寸誤差，評價成形精度。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 護目鏡優(yōu)化設(shè)計

考慮到不同受眾對護目鏡的使用需求，同時基于短碳纖維增強復(fù)合材料熔融沉積增材制造技術(shù)的工藝特點及產(chǎn)品個性化快速定制的實際需求，針對護目鏡主體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計優(yōu)化流程如圖2 所示。

圖2 護目鏡設(shè)計優(yōu)化流程

在對主體結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計的同時，基于人體工學(xué)原理，對不同人群的面部特征進行提取，逆向反求護目鏡面部貼合輪廓。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參數(shù)對護目鏡尺寸縮放，進行標準型號劃分(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 標準型號主要參數(shù)劃分 mm

為保證護目鏡內(nèi)部空氣的流通性，滿足長期佩戴的使用需求，在護目鏡的上下兩側(cè)設(shè)計了通氣孔。針對此次疫情對護目鏡防護等級要求較高的特點，設(shè)置熔噴布過濾層，同時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。護目鏡的設(shè)計版本更迭結(jié)果如圖3 所示。

圖3 護目鏡的設(shè)計版本更迭結(jié)果

2.2 工藝參數(shù)對制件力學(xué)性能研究

(1)噴頭溫度、成形速度和層間厚度對拉伸力學(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)不同取值水平對打印樣件拉伸力學(xué)性能的影響規(guī)律，采用正交試驗，每個參數(shù)均設(shè)置三個水平，并且設(shè)計一個空列作為試驗誤差用來衡量試驗的可靠性，選擇L9(34)正交試驗表進行測試，參數(shù)與水平的選擇見表2。

打印制備標準拉伸試樣，采用萬能材料試驗機以2 mm／min 的加載速率對試樣進行拉伸性能測試，以拉伸強度作為評價成形工藝參數(shù)優(yōu)劣的指標。正交實驗參數(shù)設(shè)置與拉伸強度統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 正交實驗結(jié)果

在選定的工藝參數(shù)和設(shè)置的實驗組中，噴頭溫度為220℃、成形速度為25 mm／s、層間厚度為0.25 mm 時，樣件拉伸強度最優(yōu)，達到了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，樣件拉伸強度最差，僅為37.96 MPa。對實驗結(jié)果進行極差分析，從而確定最優(yōu)工藝參數(shù)組合，結(jié)果見表4。三個不同影響因素極差數(shù)值大小排序為：層間厚度(C)＞噴頭溫度(A)＞成形速度(B)，即層間厚度的變化對樣件拉伸強度影響最大，其次是噴頭溫度，而成形速度對拉伸強度的影響最小。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)，拉伸強度隨噴嘴直徑的增加而增加，當噴嘴直徑0.6 mm 時，樣件拉伸強度最高為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度提升3.98%，相較于混合填充拉伸強度提升1.30%。

圖4 不同噴頭直徑時材料拉伸強度

圖5 不同填充路徑時材料拉伸強度

2.3 纖維狀態(tài)對制件力學(xué)性能研究

短纖維增強復(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)合材料中的增強體，是受載情況下主要的承載對象，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行力學(xué)性能測試。圖6 是不同纖維含量對材料拉伸強度的影響。

圖6 不同纖維含量時材料拉伸強度

由圖6 可以看出，材料拉伸強度隨纖維含量的增加呈增強趨勢。當纖維含量達到10%時，樣件的拉伸強度最優(yōu)為42.70 MPa，拉伸強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度最優(yōu)，達到47.87 MPa；沿45°方向打印樣件拉伸強度次之，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，僅達到15.73 MPa。實驗結(jié)果表明，纖維取向?qū)αW(xué)性能影響顯著，當纖維取向與樣件承載方向一致時，可充分發(fā)揮纖維增強作用，提升制件力學(xué)性能。

圖7 不同成形角度時材料拉伸強度

2.4 成形精度分析

基于上述工藝參數(shù)及纖維狀態(tài)對制件成形性能的研究，優(yōu)化護目鏡打印參數(shù)見表5，成形制造四種標準型號的短碳纖維增強復(fù)合材料護目鏡，如圖8 所示。

表5 護目鏡打印參數(shù)

圖8 四種標準型號護目鏡主體結(jié)構(gòu)

為掌握護目鏡的成形精度，對護目鏡結(jié)構(gòu)進行長、寬、高尺寸的測量，并與理論尺寸進行比較，統(tǒng)計尺寸誤差，評估成形精度，見表6。

從表6 可以看出，各型號護目鏡在長、寬、高方向上尺寸誤差均小于0.80%，尺寸誤差較小。為進一步評估護目鏡結(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 型號護目鏡整體成形尺寸誤差，結(jié)果如圖9 所示。

表6 標準型號護目鏡尺寸誤差統(tǒng)計

通過采集26 003 個數(shù)據(jù)點，護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)，增材制造成形時需要支撐結(jié)構(gòu)，在去除支撐時，易損壞接觸表面。

圖9 S 型號護目鏡三維掃描尺寸誤差圖

2.5 成形缺陷分析

短碳纖維增強復(fù)合材料成形的護目鏡如圖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復(fù)合材料護目鏡

為進一步評估護目鏡內(nèi)部成形缺陷，利用FESEM 進行微觀表征，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?？紫度毕葜饕墙z材擠出時產(chǎn)生的氣泡未及時排除造成的。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 護目鏡樣件SEM 照片

3 結(jié)論

(1)基于人體工學(xué)原理，對不同人群的面部特征進行提取，在對護目鏡主體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的同時進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)，保證護目鏡結(jié)構(gòu)具有較好的透氣性。

(2)正交實驗分析噴頭溫度、成形速度和層間厚度，獲得了拉伸強度最優(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)；拉伸強度隨纖維含量的增加呈增強趨勢，當纖維含量達到10%，拉伸強度較純樹脂提升10.9%；纖維取向?qū)αW(xué)性能影響顯著，當纖維取向與樣件承載方向一致時，可充分發(fā)揮纖維的增強作用。

(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)量分數(shù)為10%，纖維方向為0°進行護目鏡打印，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。