圖1展示了預浸料絲束的制備過程及基于FFF技術的高性能cFRPCs預浸料絲束直接打印

圖2揭示了cFRPCs打印過程中產生的工藝誘導缺陷

1. 打印過程引起的孔隙
   

   過程引起的孔隙主要存在于聚合物結構中，包括打印重疊孔隙、層間孔隙及層內孔隙。這些孔隙的形成與聚合物流動性差、打印絲材堆疊不當、打印壓力及溫度不穩定等因素有關。

   
   

2. 孔隙的影響及消除方法
   孔隙缺陷會降低復合材料的層間性能、拉伸強度及壓縮強度等。為消除孔隙缺陷，可采用原位強化、后處理等方法，如張力、壓實、真空輔助、額外能量輔助（超聲波、等離子體等）及熱壓等。

   
   

四、纖維相關缺陷：纖維損傷

1. 纖維損傷的原因及影響
   

   纖維損傷主要發生在絲材進料、擠出及堆疊階段，由擠出機構的擠壓、噴嘴摩擦等因素導致。纖維損傷會降低復合材料的拉伸剛度、強度及斷裂伸長率等力學性能。

   
   

2. 纖維損傷的消除方法
   

   為減少纖維損傷，可采用橡膠驅動輪替代金屬齒輪，減少連續纖維在送料過程中的損傷。同時，選擇更大的噴嘴和更高的層厚度也可降低纖維在噴嘴中的摩擦和擠出壓力。

   
   

五、纖維相關缺陷：纖維分布偏差

1. 纖維分布偏差的原因及影響
   

   纖維分布偏差包括纖維平直度、取向及均勻度等方面的偏差。這些偏差主要由打印過程參數不當、絲材變形及溫度變化等因素引起。纖維分布偏差會顯著降低復合材料的力學性能。

   
   

2. 纖維分布偏差的消除方法
   

   優化打印過程參數、控制絲材變形及溫度變化等方法，有助于減少纖維分布偏差，提升復合材料性能。

   
   

六、特定區域缺陷：轉向區域

1. 轉向區域缺陷的原因及影響
   

   在連續纖維復合材料3D打印過程中，纖維在轉向點易斷裂、扭曲及錯位，形成轉向區域缺陷。這些缺陷會嚴重影響材料的性能。

   
   

2. 轉向區域缺陷的消除方法
   通過優化噴嘴對纖維產生的張力、增加打印平臺的自由度及采用多自由度打印策略等方法，可消除或最小化轉向打印過程中產生的缺陷。

   
   

圖4展示了纖維彎曲缺陷的研究結果

七、特定區域缺陷：表面缺陷

由于3D打印材料在噴嘴處加熱軟化后快速冷卻，難以實現聚合物之間的完美融合，導致打印件表面出現堆積缺陷、劃痕、冗余缺陷等表面缺陷。這些缺陷會影響打印件的質量及性能。

圖5展示了3D打印過程中的表面缺陷

圖6展示了消除表面缺陷的方法，如雙噴嘴打印、表面依賴性和優化及壓縮輔助打印等

八、總結與展望

1. 工藝引起的缺陷挑戰
   

   3D打印復合材料存在眾多工藝引起的缺陷，如孔隙率高、纖維損傷及平整度偏差等。這些缺陷對復合材料的性能產生嚴重影響。當前缺陷消除方法存在效率低、成本高等問題，迫切需要新的解決方案。

   
   

2. 未來研究方向
   

   未來研究應深入探討纖維相關缺陷的生成機制，并開發在線消除方法。同時，應關注高性能纖維及聚合物基復合材料的3D打印技術，以推動該技術在航空航天等領域的應用。

   
   

九、小結

本文分析了高性能連續纖維增強熱塑性復合材料3D打印過程中產生的缺陷，并提出了相應的消除方法。這些研究為提高打印質量和材料性能提供了理論指導和實踐參考，有助于推動該技術在高端領域的應用。

參考文獻：Zhu, W., Fu, L., Tian, X., Zhi, Q., Hou, Z., Zhang, Z., ... & Li, D. (2024). Three-dimensional printing of high-performance continuous fiber-reinforced thermoplastic composites: Causes and elimination of process-induced defects. Composites Part B: Engineering, 292, 112080.