研究人員Yongsan An和Woon－Ryeol Yu通過研究替代材料進(jìn)行3D打印改進(jìn)探索，在最近發(fā)表的《連續(xù)碳纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物復(fù)合材料的3D打印》中，討論了困擾許多工業(yè)用戶的機(jī)械性能的挑戰(zhàn)。在本文中，我們一起來看看研究人員是如何利用復(fù)合材料改善3D打印力學(xué)性能的。
在這項研究中，研究人員在FDM 3D打印中嘗試使用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物復(fù)合材料（SMPC）——熱塑性塑料和熱固性塑料。
研究人員對參數(shù)進(jìn)行了測試，并打印了樣品，更多地了解了SMP等智能材料的優(yōu)點(diǎn)和局限性——能夠隨環(huán)境變化，然后又恢復(fù)回正常形狀。這種類型的材料與4D材料相近，允許用戶在各種應(yīng)用中獲得更大的靈活性。研究團(tuán)隊希望隨著碳復(fù)合材料的加入而改進(jìn)制造工藝。
研究團(tuán)隊為該研究創(chuàng)建了一個定制的FDM 3D打印機(jī)，以制造連續(xù)纖維增強(qiáng)的SMPC零件。在材料方面，選擇了兩種不同類型用于評估：PLA和聚氨酯型SMP長絲（作為熱塑性基質(zhì)）和SMP環(huán)氧樹脂作為熱固性基質(zhì)。然后，該團(tuán)隊將連續(xù)碳纖維添加到長絲中進(jìn)行加固。
他們在打印出待測樣品時，試驗了溫度和打印速度的差異，然后由團(tuán)隊評估機(jī)械和形狀記憶特性。
研究人員在文中寫到，“儲能模量（G＇），損耗模量（G”）和PLA的粘度在其熔點(diǎn)附近降低。儲能模量以比損耗模量更大的速率降低，使PLA具有更多液體性質(zhì)。因此，PLA可以很容易地從溫度為180℃的噴嘴中擠出。”
“不含CF的PLA長絲從噴嘴平滑地擠出，無論其直徑是否大于熔合面積。然而，對于直徑為1．5mm的噴嘴，PLA基質(zhì)被擠出，就像螺旋纏繞CF一樣。這是因為PLA擠出比CF更多，因為CF在擠出過程中沒有被拉伸。此外，惡劣的溫度和不同的擠出速度導(dǎo)致CF在3D打印過程中失效。另一方面，對于直徑為2毫米的噴嘴，PLA和CF由于其擠壓速度同步而被直接擠出。
這里面存在許多挑戰(zhàn)，例如CF未完全涂覆PLA。為了更好地優(yōu)化PLA和CF的供應(yīng)速度以及材料的結(jié)構(gòu)和聚變時間，研究人員創(chuàng)造了一種改進(jìn)的打印頭，他們還增加了日歷卷和適當(dāng)?shù)膹埩ρb置。
研究人員表示，與傳統(tǒng)3D打印聚合物相比，打印的SMPC在纖維方向上的顯示出更好的機(jī)械性能。
機(jī)械性能的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是3D打印中的一個持續(xù)挑戰(zhàn)，但隨著研究人員決心完善從碳晶格到鈦的測試，以及檢查生物相容性問題的漸進(jìn)式制造技術(shù)的材料和工藝，仍有不斷改進(jìn)的空間。
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