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短碳纤维在3D打印技术上的应用

更新时间: 2021-08-02 11:23:53  查看次数: 222    
与连续纤维相比较,短纤维具有分散均匀、喂料方式多样、工艺简单等优点,可以应用于连续纤维所不适合的诸多应用场景。虽然短纤维的增强效果要低于连续纤维,但是目前连续纤维3D打印的技术依然存在瓶颈,所以如何将短纤维的增强效果提升是关键。

短纤维在增强基体材料上的一大劣势是纤维取向的随机性限制了其增强效果的发挥。为了充分发挥纤维的增强效果,短纤维取向是一个十分有效的途径,可以帮助材料在取向方向或相应的方向上获得更高的性能表现。目前在热固性树脂基体里实现短纤维取向的有效手段包括了手工整理、施加电矩、施加磁矩等,然而这些方法代价高昂、工艺繁琐(需要对纤维进行包覆磁性颗粒等)、且往往效果不佳。树脂基体的定向流动能引导高长径比的填料沿着流场方向排布,是一种简单有效的取向方法。热塑性材料的注模成型是一个典型的例子,它可以形成短纤维的取向,但是注模成型的短纤维取向是不可控的,受模具内部形状的制约。对短纤维取向而言,满足以下的条件意义重大:一、工艺简单,取向效果明显;二、取向控制灵活,通过简单设置就能实现调节。

挤出式的3D打印成型技术,伴随着树脂基体从细挤出口挤出,有一个剪切力作用,因而比较容易实现高长径比填料,如片层状的氮化硼、短纤维等,沿挤出方向取向。在挤出的过程中,短碳纤维受到流场剪切作用而沿着挤出丝的长度方向排列。微米CT的图清楚显示了短纤维取向的形态。对微米CT的结果通过软件进行三维重构可以分析出,其空间角差别在5%以内的占到所选空间区域内纤维总量的90%以上,验证了这种髙度的取向性。另外,由于短纤维都是沿着挤出丝的轴向方向取向,也就是沿着打印路径的方向取向,3D打印过程的打印路径可以通过对G代码的控制灵活地设计。这两点与我们之前所设想的短纤维取向场景完全吻合。