美國密歇根州陸軍坦克、汽車研究開發和工程中心（TARDEC）的三位研究人員最近發表了一項名為“通過熔融長絲制造連續纖維增強復合材料表征”的研究，該研究用于連續碳在Mark Two 3D打印機上打印纖維增強熱塑性復合材料部件。

  研究人員表示：“目前的工作重點是通過連續長絲制造（CFF）連續纖維增強樣品的拉伸性能。在有和沒有連續碳纖維增強的情況下，在多個方向上測試樣品。當將0?碳纖維增強試樣與沒有連續增強的試樣進行比較時，平均屈服強度，拉伸強度和彈性模量分別增加20倍，15倍和240倍。當將具有90?取向連續增強的試樣的結果與0?試樣進行比較時，屈服強度下降60％，拉伸強度下降62％，彈性模量下降52％。這些結果表明，當垂直于纖維取向施加載荷時，機械性能明顯降低。通過垂直豎立在印刷床上的印刷樣品測試相鄰層之間的粘合性。這些樣本的所有樣本的強度最低。作者建議按照ASTM D3039-17使用帶有粘接片的矩形樣品進行測試，以減少樣本遇到的纖維排列問題?！?/p>

  由于大多數3D打印部件是自下而上構建的，因此平面外材料特性比平面內部特性要弱。當連續纖維發生面內印刷時，完成的部件可以具有增加的剛度和面內強度，但是研究人員并不清楚連續纖維增強件如何影響制造部件的機械各向異性。

  “為了讓設計工程師在結構應用中使用連續纖維增強AM部件，他們將需要這些材料的三維機械性能，”研究人員解釋說。研究人員在他們的研究中使用了Markforged的尼龍基熱塑性Onyx，以及涂有粘合劑材料的連續碳纖維絲束，以及3D打印的幾個試樣，以便更好地了解連續碳纖維對多少影響：

  第1組：Onyx（平面內，尼龍/碳塑料）：ID＃1-1,1-2,1-3

  第2組：0?纖維（面內，對齊的碳纖維）:: ID＃2-1,2-2,2-3

  第3組：90?纖維（面內，垂直于碳纖維）：ID＃3-1,3-2,3-3

  第4組：z方向（平面外，垂直于碳纖維）：ID＃4-1,4-2,4-3

  為了使分析更容易，該團隊僅測試了具有單向纖維取向的樣品。第一組中的純Onyx樣品厚度為1.8 mm用作基線，而第2組的0°樣品在屋頂和地板上有兩個0.125 mm的Onyx層，側壁上有兩個Onyx層，其余部分填充碳纖維，“拉伸方向縱向拉伸，進行拉伸試驗”。“附加試樣3-1,3-2和3-3印有垂直于拉伸拉伸方向取向的纖維。這些標本在屋頂，地板和墻壁上的厚度與前一組標本相同，“研究人員解釋說。 “值得注意的是，對于這些樣品，由于纖維的取向垂直于拉伸方向，因此打印頭必須在測量部分內轉角，因此，測量部分內的纖維取向不是完全單向的?！?/p>

  第4組樣品垂直3D打印，并測試纖維增強層之間的粘合性評估。然后，研究人員對Onyx樣品進行了熱重分析（TGA）和傅里葉變換紅外（FTIR）分析，以便更好地了解材料的熱特性;還進行了拉伸試驗，直到樣品完全失效?！爱攲??碳纖維增強樣品與純on瑪瑙樣品進行比較時，機械性能增加了幾個數量級，”研究人員解釋說。 “例如，平均屈服強度，拉伸強度和彈性模量分別增加20倍，15倍和240倍。當比較纖維增強樣品與Onyx材料的機械性能時，機械性能的顯著改善與傳統的層壓復合材料一致，其中單向樣品的強度和剛度比均質環氧墊高幾個數量級。

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