圖1展示了預(yù)浸料絲束的制備過(guò)程及基于FFF技術(shù)的高性能cFRPCs預(yù)浸料絲束直接打印

圖2揭示了cFRPCs打印過(guò)程中產(chǎn)生的工藝誘導(dǎo)缺陷

1. 打印過(guò)程引起的孔隙
   

   過(guò)程引起的孔隙主要存在于聚合物結(jié)構(gòu)中，包括打印重疊孔隙、層間孔隙及層內(nèi)孔隙。這些孔隙的形成與聚合物流動(dòng)性差、打印絲材堆疊不當(dāng)、打印壓力及溫度不穩(wěn)定等因素有關(guān)。

   
   

2. 孔隙的影響及消除方法
   孔隙缺陷會(huì)降低復(fù)合材料的層間性能、拉伸強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度等。為消除孔隙缺陷，可采用原位強(qiáng)化、后處理等方法，如張力、壓實(shí)、真空輔助、額外能量輔助（超聲波、等離子體等）及熱壓等。

   
   

四、纖維相關(guān)缺陷：纖維損傷

1. 纖維損傷的原因及影響
   

   纖維損傷主要發(fā)生在絲材進(jìn)料、擠出及堆疊階段，由擠出機(jī)構(gòu)的擠壓、噴嘴摩擦等因素導(dǎo)致。纖維損傷會(huì)降低復(fù)合材料的拉伸剛度、強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能。

   
   

2. 纖維損傷的消除方法
   

   為減少纖維損傷，可采用橡膠驅(qū)動(dòng)輪替代金屬齒輪，減少連續(xù)纖維在送料過(guò)程中的損傷。同時(shí)，選擇更大的噴嘴和更高的層厚度也可降低纖維在噴嘴中的摩擦和擠出壓力。

   
   

五、纖維相關(guān)缺陷：纖維分布偏差

1. 纖維分布偏差的原因及影響
   

   纖維分布偏差包括纖維平直度、取向及均勻度等方面的偏差。這些偏差主要由打印過(guò)程參數(shù)不當(dāng)、絲材變形及溫度變化等因素引起。纖維分布偏差會(huì)顯著降低復(fù)合材料的力學(xué)性能。

   
   

2. 纖維分布偏差的消除方法
   

   優(yōu)化打印過(guò)程參數(shù)、控制絲材變形及溫度變化等方法，有助于減少纖維分布偏差，提升復(fù)合材料性能。

   
   

六、特定區(qū)域缺陷：轉(zhuǎn)向區(qū)域

1. 轉(zhuǎn)向區(qū)域缺陷的原因及影響
   

   在連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印過(guò)程中，纖維在轉(zhuǎn)向點(diǎn)易斷裂、扭曲及錯(cuò)位，形成轉(zhuǎn)向區(qū)域缺陷。這些缺陷會(huì)嚴(yán)重影響材料的性能。

   
   

2. 轉(zhuǎn)向區(qū)域缺陷的消除方法
   通過(guò)優(yōu)化噴嘴對(duì)纖維產(chǎn)生的張力、增加打印平臺(tái)的自由度及采用多自由度打印策略等方法，可消除或最小化轉(zhuǎn)向打印過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷。

   
   

圖4展示了纖維彎曲缺陷的研究結(jié)果

七、特定區(qū)域缺陷：表面缺陷

由于3D打印材料在噴嘴處加熱軟化后快速冷卻，難以實(shí)現(xiàn)聚合物之間的完美融合，導(dǎo)致打印件表面出現(xiàn)堆積缺陷、劃痕、冗余缺陷等表面缺陷。這些缺陷會(huì)影響打印件的質(zhì)量及性能。

圖5展示了3D打印過(guò)程中的表面缺陷

圖6展示了消除表面缺陷的方法，如雙噴嘴打印、表面依賴性和優(yōu)化及壓縮輔助打印等

八、總結(jié)與展望

1. 工藝引起的缺陷挑戰(zhàn)
   

   3D打印復(fù)合材料存在眾多工藝引起的缺陷，如孔隙率高、纖維損傷及平整度偏差等。這些缺陷對(duì)復(fù)合材料的性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。當(dāng)前缺陷消除方法存在效率低、成本高等問(wèn)題，迫切需要新的解決方案。

   
   

2. 未來(lái)研究方向
   

   未來(lái)研究應(yīng)深入探討纖維相關(guān)缺陷的生成機(jī)制，并開(kāi)發(fā)在線消除方法。同時(shí)，應(yīng)關(guān)注高性能纖維及聚合物基復(fù)合材料的3D打印技術(shù)，以推動(dòng)該技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。

   
   

九、小結(jié)

本文分析了高性能連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，并提出了相應(yīng)的消除方法。這些研究為提高打印質(zhì)量和材料性能提供了理論指導(dǎo)和實(shí)踐參考，有助于推動(dòng)該技術(shù)在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：Zhu, W., Fu, L., Tian, X., Zhi, Q., Hou, Z., Zhang, Z., ... & Li, D. (2024). Three-dimensional printing of high-performance continuous fiber-reinforced thermoplastic composites: Causes and elimination of process-induced defects. Composites Part B: Engineering, 292, 112080.