增材制造（AM）是一種逐層制造3D部件直至最終產(chǎn)品完成的工藝。該技術(shù)主要用于航空、汽車、醫(yī)療植入物和紡織等領(lǐng)域的工程應(yīng)用。如今，由于生產(chǎn)過程簡單、成品精度高、材料浪費少、選材范圍廣和經(jīng)濟(jì)因素，大多數(shù)復(fù)合材料零件都采用AM技術(shù)制造。在復(fù)合材料生產(chǎn)過程中，增強(qiáng)材料的含量在定義復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和其他性能方面起著重要作用。本研究中，使用熔融沉積建模（FDM）制造了多孔連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（CCFRPC）結(jié)構(gòu)。多孔CCFRPC結(jié)構(gòu)通過兩種類型的填充模式（網(wǎng)格和三角形）以三種不同的填充密度水平（20%、40%和60%）進(jìn)行增材制造。制造過程完成后，使用溶解法計算和估算復(fù)合材料中連續(xù)碳纖維（CCF）的含量。為了確定多孔結(jié)構(gòu)中的碳纖維含量，采用了溶解ASTM D 3171標(biāo)準(zhǔn)程序。結(jié)果顯示，與網(wǎng)格填充模式相比，三角形填充模式含有更多的增強(qiáng)材料（CCF）。此外，當(dāng)試樣的填充密度增加時，結(jié)構(gòu)中的增強(qiáng)材料含量也更高。

1.簡介

增材制造（AM）是一種快速增長的非傳統(tǒng)制造技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種工程應(yīng)用中，并被用于汽車、生物醫(yī)學(xué)、紡織、建筑、航空航天和電子等領(lǐng)域。根據(jù)ISO/ASTM 5200（2017）（增材制造——通用原則術(shù)語），熔融沉積建模（FDM）被分類為基于材料擠壓的過程之一。

它最常用于使用熱塑性材料、含有短纖維的復(fù)合材料以及連續(xù)碳纖維（CCF）來生產(chǎn)3D物品。連續(xù)碳纖維（CCF）增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（CCFRPCs）在工程應(yīng)用中具有重要的意義，因為它們輕質(zhì)且強(qiáng)度高和剛度高。

增強(qiáng)材料無論是連續(xù)的還是不連續(xù)的，其含量在制造復(fù)合材料和定義其機(jī)械和材料性能方面都扮演著重要角色。結(jié)果表明，在達(dá)到特定的增強(qiáng)材料含量時，熱塑性材料中的碳纖維含量顯示出高水平的強(qiáng)度，之后強(qiáng)度水平會下降。通過結(jié)合多孔結(jié)構(gòu)，可以制造出輕量化的復(fù)合材料部件，從而減少密度、質(zhì)量、材料利用率、材料浪費和打印時間。大多數(shù)多孔結(jié)構(gòu)是使用純熱塑性材料制造的，并用于像支架組織生成這種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。填充模式和密度對多孔結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)和增強(qiáng)材料含量有重大影響。

許多研究人員已經(jīng)利用FDM技術(shù)制造了CCFRPC結(jié)構(gòu)，并研究了它們的機(jī)械性能。例如，含有6.6%增強(qiáng)材料的CCFRPC顯示出185.2 MPa的拉伸強(qiáng)度。其他結(jié)果顯示，含有18.2% CCF含量的CCFRPC強(qiáng)度水平更好，達(dá)到245.4 MPa。但是，所有上述復(fù)合部件都是用含有碳纖維的單向?qū)訝畹?，以實心和完全致密的結(jié)構(gòu)制造的，而且此前并沒有對于多孔CCFRPC結(jié)構(gòu)的研究。通過印樣品的層數(shù)和線條數(shù)及其橫截面積可以得出樣品的工具路徑的長度，以此可以估算出大概的具有實心結(jié)構(gòu)的單向復(fù)合材料中的CCF增強(qiáng)材料含量。但是，考慮到多孔結(jié)構(gòu)時，在復(fù)合材料部件中的CCF含量難以估算，因為殼體內(nèi)大部分結(jié)構(gòu)采用不同的填充模式打印，并且存在空隙，不像單向樣品那樣緊密。因此，需要一種替代的方法或技術(shù)來估算多孔結(jié)構(gòu)中的增強(qiáng)材料含量。

在本研究中，使用FDM技術(shù)制造了多孔CCFRPC結(jié)構(gòu)。采用兩種填充模式（即網(wǎng)格和三角形填充模式）在三個不同填充密度級別（20%、40% 和 60%）下制造了多孔CCFRPC試驗樣品。并在制造過程后對復(fù)合材料試樣進(jìn)行了觀察和分析。隨后，為了估算試樣中的CCF含量，根據(jù)ASTM D 3171標(biāo)準(zhǔn)程序使用了溶解法以確定碳纖維含量。

2.1材料

在這項研究中，作為基質(zhì)材料，使用了商業(yè)上可獲得的，直徑為1.75毫米的PolyLite PLA熱塑性塑料（聚合物制造商）打印絲材。對于增強(qiáng)材料，則使用了每束包含3000根纖維的CCF紗線T300B-3000（法國東麗公司）。在制造和打印復(fù)合材料樣品之前，標(biāo)準(zhǔn)的CCF紗線被浸泡在10wt%的PLA和二氯甲烷（CH2Cl2）溶液中，以獲得更好的粘附性、機(jī)械性能、打印質(zhì)量和打印過程的穩(wěn)定性。

2.2CCFRPC樣品的制造和打印過程

在樣品設(shè)計中，首先制作了CAD模型幾何結(jié)構(gòu)。然后，將其作為STL文件導(dǎo)入到Simplify 3D打印軟件中，以便進(jìn)一步打印復(fù)合材料樣品。基于簡單且易于安裝的優(yōu)點，選擇MeCreator 2（Geeetech）FDM 3D打印機(jī)來制造多孔復(fù)合材料樣品。對FDM 3D打印機(jī)的擠出頭進(jìn)行了改裝，以便使用CCF進(jìn)行打印。實驗設(shè)計了兩個進(jìn)料通道，一個是用于基質(zhì)材料的，也是熱塑性絲材進(jìn)料通道，另一個是用于增強(qiáng)材料的，也是浸漬CCF紗線插入通道，還有一個出料噴嘴。基質(zhì)材料的絲材在打印頭內(nèi)熔化，并與CCF紗線融合在一起形成粘結(jié)，并從打印噴嘴擠出形成CCFRPC。

在實驗中，考慮了兩種不同的填充模式，即網(wǎng)格和三角形，在三種不同的填充密度（20%、40%和60%）水平下進(jìn)行打印。用網(wǎng)格和三角形填充模式的多孔復(fù)合材料部件，采用被樣品填充模式覆蓋的一個外周殼體和兩層頂部及底部單向0°層所制造的。對于網(wǎng)格填充模式，選擇了45°–45°的內(nèi)部填充角度偏移。而在三角形填充模式的情況下，填充以60°–60°的角度偏移進(jìn)行打印。其他打印參數(shù)見表1。擠出寬度和層高度是直接影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)機(jī)械參數(shù)的參數(shù)，此外這些參數(shù)也影響碳纖維含量。

2.3復(fù)合材料樣品的溶解過程

為了估計和計算多孔CCFRPC部件的碳纖維含量，遵循了ASTM D 3171“復(fù)合材料成分含量的標(biāo)準(zhǔn)測試方法”程序。采用方法I來計算增強(qiáng)材料的含量，即通過在溶液中對復(fù)合材料試樣的基體進(jìn)行物理溶解，留下基本上未受影響的增強(qiáng)材料，以計算基體或纖維含量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，每組測試三個樣品以確定復(fù)合部件中增強(qiáng)材料的含量。圖1展示了碳纖維含量測量的程序。

在制造尺寸為120 × 12 × 3 mm的復(fù)合試樣后，將試樣放入燒杯中并用二氯甲烷溶液覆蓋，使樣品完全浸沒在液體中。每48小時更換一次溶液，直到熱塑性基體完全溶解，然后檢查并使用蒸餾水沖洗，接著放入真空烘箱中直至增強(qiáng)纖維完全干燥。最后，稱量未受影響的增強(qiáng)材料，并使用以下公式計算增強(qiáng)材料的含量：

Wr = 增強(qiáng)材料的重量百分比， Mi = 試樣的初始質(zhì)量（克）， Mf = 消化或燃燒后試樣的最終質(zhì)量（克）。

3.結(jié)果和討論

3.1對打印的多孔復(fù)合材料樣品的觀察

通過顯微鏡檢查了CCFRPC多孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)部模式，如圖2所示。從觀察結(jié)果來看，三角形填充樣本在水平同向有三個節(jié)點連通，而網(wǎng)格填充結(jié)構(gòu)樣本在水平異向有四個節(jié)點連通。與三角形填充模式相比，網(wǎng)格填充結(jié)構(gòu)在每個填充密度等級上都顯示出更緊湊和密集的結(jié)構(gòu)，因為它在周邊殼內(nèi)占據(jù)了更多的空間，因此消耗了更多的質(zhì)量。填充模式在定義增強(qiáng)材料含量和機(jī)械性能方面起著重要作用。

用網(wǎng)格模式CCFRPC結(jié)構(gòu)填充的顯微照片，分別用a)20%,b)40%,c)60%的填充密度水平打印的一個外殼周長。CCFRPC 表示連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料。

打印時間對填充模式和密度水平有影響（圖3）。與網(wǎng)格填充模式相比，三角形填充模式在打印復(fù)合材料部件時消耗的時間更多。當(dāng)比較打印時間時，使用40%和60%填充密度的網(wǎng)格模式與使用20%和40%填充密度的三角形模式所花費的時間相同。這樣的打印時間的差異是由于填充結(jié)構(gòu)增加了內(nèi)部的殼體周長。結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也影響了打印的時間。

3.2碳纖維在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的含量

在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造中，使用兩種填充模式（網(wǎng)格和三角形），在三種不同的填充密度（20%、40% 和 60%）下進(jìn)行打印的增強(qiáng)材料含量，時通過溶解法進(jìn)行估算的。實驗結(jié)果表明，與網(wǎng)格填充模式相比，三角形填充模式在每種填充密度水平下都消耗了最多的增強(qiáng)材料含量。

從圖4所示的實驗結(jié)果中可以看出，隨著填充密度水平的增加，兩種填充模式的增強(qiáng)材料含量都略有增加。60%填充密度水平的三角形填充模式顯示出最高的纖維含量為31.11（wt%）。在三角形填充模式下，當(dāng)填充密度水平從20%上升到40%時，增強(qiáng)材料含量增加了3%，而當(dāng)填充密度水平從40%上升到60%時，增強(qiáng)材料含量增加了1%。

同樣地，在網(wǎng)格填充模式下，60%的填充水平顯示出最高的增強(qiáng)材料含量為27.75（wt%）。當(dāng)填充密度水平從20%增加到40%時，碳纖維含量增加了1.1%，而當(dāng)填充密度水平從40%增加到60%時，碳纖維含量增加了1.7%。通過比較這兩種類型的填充模式，三角形填充模式顯示出更多的碳纖維含量，即使其最低的密度水平也比網(wǎng)格填充模式的最高密度水平顯示出更多的增強(qiáng)材料含量。這種增強(qiáng)材料含量的差異是由于復(fù)合材料部件內(nèi)部創(chuàng)建路徑的結(jié)構(gòu)差異造成的。不同的填充模式也會影響機(jī)械性能。層分布和方向、打印工藝參數(shù)、填充模式以及殼體參數(shù)都會影響復(fù)合材料部件的機(jī)械性能和碳纖維含量。

4.結(jié)論

填充模式和結(jié)構(gòu)會影響復(fù)合材料部件的增強(qiáng)材料含量和打印速度。對于各種填充密度來說，三角形填充模式相比網(wǎng)格填充模式顯示出更多的碳含量，盡管其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)量較低。同理，在制造樣品時，使用三角形填充模式打印時間更長。

這種對兩種屬性的影響是由復(fù)合材料部件內(nèi)部復(fù)雜的填充結(jié)構(gòu)模式造成的。盡管不同填充密度的增強(qiáng)材料含量沒有顯著差異，但在比較兩種填充模式時卻顯示出了含量上的差異。