更為堅固的復(fù)合材料3D打印線材

伊朗聚合物和石化研究所的研究人員正在深入研究玻璃纖維增強3D打印線材的機(jī)械性能，以實現(xiàn)更強的復(fù)合材料。該團(tuán)隊準(zhǔn)備了基于ABS的復(fù)合線材，進(jìn)行拉伸，彎曲和扭轉(zhuǎn)測試，以評估所得3D打印部件的機(jī)械行為。根據(jù)該研究論文，這是第一項顯示ABS重量百分比對3D打印連續(xù)纖維增強復(fù)合材料部件機(jī)械性能影響的研究，為改進(jìn)材料配方鋪平了道路。

△在進(jìn)行機(jī)械測試之前，每個樣本都以之字形3D打印。圖片來自伊朗聚合物和石化研究所。

對連續(xù)纖維增強的需求

熔融擠出式3D打印制造，或FFF，是目前應(yīng)用最廣泛的3D打印技術(shù)。該工藝的低成本和易用性使其適用于全球各個角落的業(yè)余愛好者制造商，同時它也在專業(yè)和工業(yè)環(huán)境中具有廣泛的應(yīng)用。例如，汽車行業(yè)已經(jīng)利用FFF 3D打印機(jī)來處理從原型和最終用途零件到制造工具和備件的所有產(chǎn)品。不幸的是，F(xiàn)FF部件往往強度相對較低 - 即使是在高性能3D打印機(jī)上制造的部件也是如此。解決這個問題的一種方法是使用纖維增強材料，這可以分為兩種不同的類型：短切纖維和連續(xù)纖維。短切纖維很短，只需填充材料基質(zhì)，無需任何指定的方向，而連續(xù)纖維則沿著特定平面從零件的一端延伸到另一端。前者更容易實現(xiàn)，但會帶來諸如噴嘴堵塞和零件強度不足等問題。后者雖然更難實現(xiàn)，但會產(chǎn)生更高強度的3D打印部件，其強度可能比未增強的對應(yīng)物強數(shù)十倍。

△由Anisofprint3D打印的連續(xù)纖維增強復(fù)合材料部件。照片來自Anisoprint。

首先，研究小組準(zhǔn)備了四種不同的連續(xù)玻璃纖維增強ABS配方（ABS重量為2%，10%，20%和30%）。每個復(fù)合長絲都用于3D打印測試樣品部件，然后通過拉伸，三點彎曲和層間剪切強度測試對其進(jìn)行評估。

結(jié)果表明，復(fù)合材料的抗拉強度值分別為89、91、91和94MPa。正如預(yù)期的那樣，所有四個值都明顯高于整齊的ABS，后者僅為28MPa。事實上，力學(xué)試驗結(jié)果還表明，與基礎(chǔ)ABS相比，所有玻璃纖維增強復(fù)合材料在拉伸、三點彎曲和扭轉(zhuǎn)試驗中的強度和模量都有所提高。因此，研究小組得出結(jié)論，應(yīng)使用ABS的最小重量百分比（2%）來實現(xiàn)玻璃纖維增強復(fù)合材料的最大機(jī)械性能。該研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為"3D打印連續(xù)玻璃絲束預(yù)緊增強復(fù)合材料的力學(xué)性能的實驗和數(shù)值研究"的論文中找到。

纖維增強長絲對于實現(xiàn)某些高性能3D打印應(yīng)用至關(guān)重要。最近，麥吉爾大學(xué)和瑞爾森大學(xué)的工程師設(shè)法將風(fēng)力渦輪機(jī)廢料轉(zhuǎn)化為堅固的增強型PLA 3D打印材料。使用機(jī)械研磨和熱解的混合物，該團(tuán)隊能夠?qū)�現(xiàn)已停產(chǎn)的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片回收成細(xì)纖維粉末，其強度和剛度高于原始玻璃纖維。在其他地方，復(fù)合材料3D打印技術(shù)的開發(fā)商Continuous Composites從國防部獲得了75萬美元的合同，用于3D打印多功能復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)，用于可消耗（低成本，一次性）無人駕駛飛機(jī)。