發(fā)布日期:2018-12-05 08:56:05
美國(guó)密歇根州陸軍坦克、汽車研究開(kāi)發(fā)和工程中心(TARDEC)的三位研究人員最近發(fā)表了一項(xiàng)名為“通過(guò)熔融長(zhǎng)絲制造連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表征”的研究,該研究用于連續(xù)碳在Mark Two 3D打印機(jī)上打印纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料部件。
研究人員表示:“目前的工作重點(diǎn)是通過(guò)連續(xù)長(zhǎng)絲制造(CFF)連續(xù)纖維增強(qiáng)樣品的拉伸性能。在有和沒(méi)有連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的情況下,在多個(gè)方向上測(cè)試樣品。當(dāng)將0?碳纖維增強(qiáng)試樣與沒(méi)有連續(xù)增強(qiáng)的試樣進(jìn)行比較時(shí),平均屈服強(qiáng)度,拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別增加20倍,15倍和240倍。當(dāng)將具有90?取向連續(xù)增強(qiáng)的試樣的結(jié)果與0?試樣進(jìn)行比較時(shí),屈服強(qiáng)度下降60%,拉伸強(qiáng)度下降62%,彈性模量下降52%。這些結(jié)果表明,當(dāng)垂直于纖維取向施加載荷時(shí),機(jī)械性能明顯降低。通過(guò)垂直豎立在印刷床上的印刷樣品測(cè)試相鄰層之間的粘合性。這些樣本的所有樣本的強(qiáng)度最低。作者建議按照ASTM D3039-17使用帶有粘接片的矩形樣品進(jìn)行測(cè)試,以減少樣本遇到的纖維排列問(wèn)題?!?/p>
由于大多數(shù)3D打印部件是自下而上構(gòu)建的,因此平面外材料特性比平面內(nèi)部特性要弱。當(dāng)連續(xù)纖維發(fā)生面內(nèi)印刷時(shí),完成的部件可以具有增加的剛度和面內(nèi)強(qiáng)度,但是研究人員并不清楚連續(xù)纖維增強(qiáng)件如何影響制造部件的機(jī)械各向異性。
“為了讓設(shè)計(jì)工程師在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中使用連續(xù)纖維增強(qiáng)AM部件,他們將需要這些材料的三維機(jī)械性能,”研究人員解釋說(shuō)。研究人員在他們的研究中使用了Markforged的尼龍基熱塑性O(shè)nyx,以及涂有粘合劑材料的連續(xù)碳纖維絲束,以及3D打印的幾個(gè)試樣,以便更好地了解連續(xù)碳纖維對(duì)多少影響:
第1組:Onyx(平面內(nèi),尼龍/碳塑料):ID#1-1,1-2,1-3
第2組:0?纖維(面內(nèi),對(duì)齊的碳纖維):: ID#2-1,2-2,2-3
第3組:90?纖維(面內(nèi),垂直于碳纖維):ID#3-1,3-2,3-3
第4組:z方向(平面外,垂直于碳纖維):ID#4-1,4-2,4-3
為了使分析更容易,該團(tuán)隊(duì)僅測(cè)試了具有單向纖維取向的樣品。第一組中的純Onyx樣品厚度為1.8 mm用作基線,而第2組的0°樣品在屋頂和地板上有兩個(gè)0.125 mm的Onyx層,側(cè)壁上有兩個(gè)Onyx層,其余部分填充碳纖維,“拉伸方向縱向拉伸,進(jìn)行拉伸試驗(yàn)”?!案郊釉嚇?-1,3-2和3-3印有垂直于拉伸拉伸方向取向的纖維。這些標(biāo)本在屋頂,地板和墻壁上的厚度與前一組標(biāo)本相同,“研究人員解釋說(shuō)。 “值得注意的是,對(duì)于這些樣品,由于纖維的取向垂直于拉伸方向,因此打印頭必須在測(cè)量部分內(nèi)轉(zhuǎn)角,因此,測(cè)量部分內(nèi)的纖維取向不是完全單向的?!?/p>
第4組樣品垂直3D打印,并測(cè)試?yán)w維增強(qiáng)層之間的粘合性評(píng)估。然后,研究人員對(duì)Onyx樣品進(jìn)行了熱重分析(TGA)和傅里葉變換紅外(FTIR)分析,以便更好地了解材料的熱特性;還進(jìn)行了拉伸試驗(yàn),直到樣品完全失效?!爱?dāng)將0?碳纖維增強(qiáng)樣品與純on瑪瑙樣品進(jìn)行比較時(shí),機(jī)械性能增加了幾個(gè)數(shù)量級(jí),”研究人員解釋說(shuō)。 “例如,平均屈服強(qiáng)度,拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別增加20倍,15倍和240倍。當(dāng)比較纖維增強(qiáng)樣品與Onyx材料的機(jī)械性能時(shí),機(jī)械性能的顯著改善與傳統(tǒng)的層壓復(fù)合材料一致,其中單向樣品的強(qiáng)度和剛度比均質(zhì)環(huán)氧墊高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
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