西工大等 l 连续碳纤维复材3D打印研究-超声调控浸润性、激光增材制造

| 3DScienceValley · 2024/02/14

谷专栏

根据3D科学谷，复合材料的3D打印正在延续2020年以来的三大发展趋势。一是流程和系统的工业化，材料科学、硬件与软件发展的结合将更加支持大批量生产。二是对系统进行更多的传感控制，以实现实时过程控制-热，尺寸和光学传感可提高过程公差。三是用于提高3D打印操作效率的新软件与算法（例如，预处理工作流程，作业管理等）更加成熟，从而更深入的用于多材料零件的新设计和仿真。

本期，通过节选国内在连续碳纤维复合材料领域的3D打印研究，3D科学谷与谷友一起来领略碳纤维复合材料日新月异的研究进展。

连续纤维增强3D打印复合材料
工艺缺陷及其失效行为研究进展

因设计自由度高、无需模具和快速制造等优点，连续纤维增强3D打印已成为当今最具创新性的先进复合材料成型技术之一。本文综述了连续纤维增强3D打印复合材料工艺缺陷及失效行为的最新研究进展，引入了“干/湿/干湿-混合”的概念对打印工艺进行了系统性分类阐述，重点介绍了由于工艺过程引入的三种缺陷及其特点。随后，归纳了连续纤维增强3D打印复合材料的失效力学行为，并分析了引发失效的主要原因。最后，针对如何减少工艺缺陷、改善失效模式和降本增效对连续纤维增强复合材料3D打印技术的未来进行了展望。

作者：张鑫，郑锡涛，杨甜甜，宋璐阳，闫雷雷
1. 西北工业大学航空学院2. 西北工业大学飞行器复合材料结构研究所3. 哈尔滨工业大学航天科学与力学系

基于超声调控浸润性的
连续碳纤维复材3D打印研究

为解决3D打印连续碳纤维复合材料(continuous carbon fiber reinforced composites, C-CFRP)成型件内部空隙多、应力集中等缺陷，文章提出了基于熔融沉积技术的超声在线调控打印方法。探究了超声振幅在0μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm时，C-CFRP丝的拉伸性能，以及超声振幅在0μm、20μm时，C-CFRP件的拉伸、弯曲性能；并通过超景深显微镜观测了CCFRP丝的横截面形貌，以及采用扫描电镜观察了C-CFRP件断裂面的微观结构，最后对超声调控熔融树脂浸润纤维进行了机理分析。

结果表明：C-CFRP丝的力学性能随着超声振幅的增加，先提高后降低，在20μm振幅作用下，失效载荷值最大，为121 N，比无超声状态下提高了16%；复材件在20μm振幅作用下，比无超声状态下拉伸性能提高了11%，弯曲性能提高了23%，为高性能C-CFRP 3D打印技术的发展提供了参考。

作者：董传贺，孙晓宇，李旺鑫，贾睿昊，赵欣
1. 济南国科医工科技发展有限公司2. 哈尔滨理工大学荣成学院3. 济南广康医疗器械有限公司

激光增材制造
连续碳纤维增强复合材料

碳纤维增强复合材料由于其比重小以及良好的力学和化学性能，广泛应用于航空航天、轨道交通和新能源汽车等领域。连续纤维增强复合材料与短纤维相比具有更好的性能，而增材制造的发展为该材料复杂构件的设计与成形提供了有效途径。

重点论述了四种激光增材制造连续碳纤维增强复合材料的工艺方法，包括激光辅助自动铺带(Laser-assisted automated tape placement,L-ATP)、激光辅助分层实体制造(Laser-assisted laminated object manufacturing,L-LOM)、激光辅助熔融沉积成型(Laser-assisted fused deposition manufacturing,L-FDM)和机器人激光增材制造(Robot-based laser additive manufacturing,R-LAM)，详细论述了激光增材制造连续碳纤维增强复合材料的原料设计与制备、成形原理与装备和工艺特点，并对比讨论四种激光增材制造连续碳纤维增强复合材料工艺方法的应用范围和优缺点，展望碳纤维复合材料增材制造未来发展趋势。

作者：杨磊，周磊，林宇东，欧阳震，闫春泽，史玉升
1. 华中科技大学材料科学与工程学院2. 武汉理工大学交通与物流工程学院

连续碳纤维3D打印的
路径规划研究进展

近年来，随着3D打印技术的发展，一些复杂几何形状复合材料结构能够有效制造出来，从而拓展了复合材料的应用范围。路径规划是3D打印制造过程中的关键技术之一，由于连续碳纤维各向异性的特点，不同的打印路径对成型件力学性能和成型效率有很大的影响。本文主要讲述了适用于连续碳纤维3D打印中面内非交错打印和基于载荷的路径规划。最后指出了3D打印路径规划的研究重点和发展方向。

作者：张荣耀，钱波，刘钢
上海工程技术大学机械与汽车工程学院

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