碳纖維增強熱塑性塑料(CFRTP)具有優異的強度重量比，這使得它們在許多行業的結構應用中具有吸引力。然而，纖維長度對于碳纖維的強度特性至關重要，并且隨著纖維長度的增加，制造的復雜性也會增加。

雖然連續纖維限制了零件的幾何復雜性，但它們提供了卓越的機械性能。此外，設計人員可以根據零件在使用中看到的負載條件和方向對它們進行優化。另一方面，不連續纖維提供了制造靈活性，但由于材料基本上是同質的，因此在強度和負載優化方面受到了影響。

像壓縮成型(CM)這樣的技術，以片狀或大塊成型化合物(BMC)的形式對長而不連續的纖維進行成型，為制造相對復雜的形狀提供了介于連續和短纖維系統之間的中間解決方案。然而，纖維長度和性能的高差異意味著可重復性是有限的。

為了利用連續纖維和不連續纖維的優勢，需要一種混合解決方案，將連續纖維放置在需要的地方，而將不連續纖維放置在較少依賴連續纖維強度特性的地方。9T實驗室(瑞士蘇黎世)是一家專門從事增材制造(AM)技術的公司，最近與普渡大學(美國西拉斐特，印第安納州)一起開發了一種使用增材融合技術(AFT)的混合制造技術。

9T實驗室業務開發總監解釋說:“AFT是一種集成的復合材料制造軟件和硬件解決方案，允許大規模自動化制造復雜結構復合材料部件。“AFT可以實現熱塑性復合材料部件的復雜制造，包括添加劑制造的連續纖維預成型件，以及使用不連續纖維增強熱塑性小板系統的壓縮過度成型。它的特點是具有成本競爭力的結構特性和復合材料制造的可持續性，有助于推動零部件制造商成功實施的創新。”

最近，普渡大學和9T實驗室使用AFT制造了一個飛機頭頂行李箱的銷釘支架。連續纖維預制件由碳纖維增強的聚醚酮（PEKK）3D打印而成，纖維體積為60%，用于支架的高負荷區域，其他地方采用纖維板，纖維體積為60%的不連續碳纖維增強的PEKK。9T實驗室在設計連續纖維AM預制件時，考慮到了在壓縮成型過程中連續和不連續纖維的同時流動，以實現最終部件所需的中間結構。

"我們開始這個項目的目標是在如何使用材料和在哪里使用方面要有效率，"普渡大學增材制造復合材料制造和模擬中心的助理主任表示。"這種使用AM預制件的混合材料解決方案，并將其嵌入壓縮成型的復合材料結構中，是以前從未在這個項目中完成的顆粒狀規模上完成的。AM已經解決了許多有趣的問題，但今天仍然存在局限性。將其與壓縮成型等更成熟、更有特色的制造技術相結合，具有將所產生的部件提升到新水平的巨大優勢"。

混合系統設計

最初，9T實驗室開發了一個支架的模擬模型，以指定其操作參數，包括支架的幾何形狀和功能要求，提供研究的設計包絡。該負載案例為拓撲優化研究提供了信息，以確定AM連續纖維增強PEKK預制件的位置和規格。

預制件將使用單向（UD）磁帶通過高架龍門式AM機送入構建板上進行添加制造。對預制件的鋪設進行模擬，并根據成本模型進行了優化，確保該項目產生的產品在完成后有意義地推向市場，而不僅僅是一項昂貴的原型設計任務。

部件內的連續纖維由熱塑性基質（預浸料）固定，以確保纖維保持在正確的方向和位置，從而形成一個強大而耐用的復合材料部件。由于PEKK在以前的研究中的表現，9T實驗室將其確定為首選的熱塑性塑料。該實驗室之前已經用它的膠帶形式生產了一個直升機支架，該支架利用了碳纖維增強的PEKK，它被預先切割成相當于1-2K的弓形。

9T實驗室為銷釘支架設計了兩個加力制造的連續纖維預制件--一個用于加固底座，一個用于加固兩個垂直法蘭或 "耳朵"。該團隊確定了纖維鋪層并生成了預制件的代碼。設計套件用相同的PEKK基體材料指定了所需的連續纖維分切帶和短纖維長絲的數量，代碼為構建模塊創建了指令。

該模塊是一種開放式材料的高溫工業AM機器，它使用UD預浸料帶制造零件，并使用加熱室內的龍門式機頭逐層放置材料。"使用1毫米寬的縫隙UD預浸料熱塑帶和全向轉向是構建模塊的獨特之處，而加熱的材料沉積確保了連續和一致的操作。在接下來的融合過程中，這些特性也得到了保證。沉積系統的無限旋轉使連續的纖維股能夠沿著所需的軌跡定位。底座的有意旋轉確保了更好的纖維控制，并通過有意的摩擦提高了角落區域的印刷質量。"9T實驗室解釋說。

9T實驗室設計了加強耳朵的預制件，以符合其輪廓，并利用連續纖維和非連續纖維之間的并發流動，支持耳朵和支架底座之間的交匯。底座預制件的設計使負載部分流向耳朵，提供了一個三維連續纖維路徑，將底座的安裝面與耳朵中的安裝面連接起來。

每個預制件使用12層1毫米寬的分切UD碳纖維增強PEKK熱塑帶，并以0.2毫米的層數在單一平面構建方向上構建。這種每層單一的、連續的纖維螺旋圈最大限度地提高了強度，最大限度地減少了制造時間。

噴嘴溫度為390°C，床層溫度為180°C，構建時間快，在一個350×270毫米的可移動構建板上制造多個批次。每個預制件的纖維工具路徑產生三個輪廓，最終壁厚為3毫米。底部預制件包含12米寬的1毫米膠帶，不需要后期處理，可以直接放入模具。耳部預制件包含8米長的1毫米寬的膠帶，在預定的位置進行后處理。連續纖維預制件占零件總體積的17%。

此文由中國復合材料工業協會編譯，文章不用于商業目的，僅供行業人士交流，引用請注明出處。