連續長纖維復合材料3D打印技術及其仿生設計領域應用
時間：2024-03-28 09:21 來源：中國機械工程學會增材制造技術（ 作者：劉哲、高琳 閱讀：次
供稿人：劉哲、高琳
供稿單位：默認：西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打印）分會
纖維增強復合材料是由高強度連續纖維與聚合物基體復合而成的一種理想的高性能復合材料。與短纖維相比，連續長纖維可以更有效地提高纖維復合材料的力學性能。在纖維增強復合材料應用領域，如何實現連續長束芳綸纖維增強復合材料長絲制造和連續纖維打印仍然是備受關注的問題。
近期，吉林大學研究團隊通過改進傳統熔融打印機實現了連續長纖維復合材料的打印，并通過3D打印技術制作了一種與甲蟲上顎結構相似的仿生設計。首先該團隊對3D打印機噴頭進行了改造，使纖維和聚乳酸（PLA）能夠同時擠出，從而制備出纖維嵌入的3D打印絲材，如圖1（a）所示。改造噴頭后，將PLA小球倒入3D打印機擠出機的喂料斗中通過熔融混合的工藝，在噴頭處將PLA與芳綸纖維一起擠出，從而生產出連續的芳綸纖維增強復合長絲，原理圖如圖1（b）所示。
該文獻為利用PLA和連續芳綸進行3D打印纖維增強復合材料提供了一種新穎有效的制備方法。也就如何增強芳綸纖維與PLA界面之間的結合能力來進一步提升其力學性能，提出了新的挑戰。
參考文獻：
Shuigen L ,Chang L ,Yulong Z , et al. Continuous 3D Printing of Biomimetic Beetle Mandible Structure with Long Bundles of Aramid Fiber Composites.[J]. Biomimetics (Basel, Switzerland),2023,8(3).
供稿單位：默認：西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打印）分會
纖維增強復合材料是由高強度連續纖維與聚合物基體復合而成的一種理想的高性能復合材料。與短纖維相比，連續長纖維可以更有效地提高纖維復合材料的力學性能。在纖維增強復合材料應用領域，如何實現連續長束芳綸纖維增強復合材料長絲制造和連續纖維打印仍然是備受關注的問題。
近期，吉林大學研究團隊通過改進傳統熔融打印機實現了連續長纖維復合材料的打印，并通過3D打印技術制作了一種與甲蟲上顎結構相似的仿生設計。首先該團隊對3D打印機噴頭進行了改造，使纖維和聚乳酸（PLA）能夠同時擠出，從而制備出纖維嵌入的3D打印絲材，如圖1（a）所示。改造噴頭后，將PLA小球倒入3D打印機擠出機的喂料斗中通過熔融混合的工藝，在噴頭處將PLA與芳綸纖維一起擠出，從而生產出連續的芳綸纖維增強復合長絲，原理圖如圖1（b）所示。
圖 1（a）擠出機的改造示意圖，(b)芳綸纖維增強復合長絲的制備示意圖
該團隊對自制的芳綸纖維/PLA和純PLA長絲進行了拉伸測試，結果表明相比，芳綸纖維/PLA復合長絲拉伸強度比純PLA長絲提高了32%。
圖 2（1）模型結構示意圖，（2）力學實驗數據，（3）拉伸斷裂電鏡圖，（4）沖擊斷裂電鏡圖
通過觀察甲蟲的上顎的纖維交叉排列方式，研究團隊設計了四種模型進行對比實驗，如圖2（1）。為了研究仿生纖維交叉結構對機械強度的影響，對四種模型的拉伸強度和沖擊韌性等力學性能進行了實驗。結果表明帶有芳綸纖維和PLA復合材料的模型III和IV的拉伸強度分別比純PLA材料的模型I和II高40%和12%，如圖2（2）。當層合纖維十字腹板試樣受到外力作用時，交叉排列的復合長絲可以阻止裂紋的擴展，因此，與平行排列的連續芳綸相比，具有仿生結構的復合材料表現出更優異的止裂性能。但纖維與PLA之間的層間結合較弱，所以仿生纖維復合材料的沖擊韌性低于純PLA。該文獻為利用PLA和連續芳綸進行3D打印纖維增強復合材料提供了一種新穎有效的制備方法。也就如何增強芳綸纖維與PLA界面之間的結合能力來進一步提升其力學性能，提出了新的挑戰。
參考文獻：
Shuigen L ,Chang L ,Yulong Z , et al. Continuous 3D Printing of Biomimetic Beetle Mandible Structure with Long Bundles of Aramid Fiber Composites.[J]. Biomimetics (Basel, Switzerland),2023,8(3).
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