熱老化如何影響3D打印的碳纖維零件？

魔猴君  行業(yè)資訊   1523天前

在過(guò)去的幾年中，用于增材制造的復(fù)合材料的開發(fā)進(jìn)展加快了，在桌面和工業(yè)增材制造方面的研究和創(chuàng)新都在不斷增長(zhǎng)，其中包括使用復(fù)合材料的短切和連續(xù)纖維技術(shù)，碳纖維或納米管或最常用于玻璃纖維的加強(qiáng)。

3D打印復(fù)合材料和三明治結(jié)構(gòu)（輕質(zhì)芯被薄面板夾在中間）已成為大學(xué)和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室越來(lái)越多的研究主題。但是重點(diǎn)更多地放在研究壓縮破壞，承載能力，延展性，形態(tài)，拉伸或摩擦性能上。這項(xiàng)研究發(fā)表在《聚合物測(cè)試雜志》上，是由迪肯大學(xué)（澳大利亞）和錫根大學(xué)（德國(guó)）的研究人員合作完成的，重點(diǎn)是研究對(duì)3D打印復(fù)合材料（特別是芯）結(jié)構(gòu)的性能或性能的影響。由加速的熱老化引起。

作者之所以選擇關(guān)注此點(diǎn)，是因?yàn)樵擃I(lǐng)域缺乏調(diào)查研究，而更相關(guān)的是，因?yàn)榇祟?/span>3D打印材料/結(jié)構(gòu)將在各種溫度條件下應(yīng)用，并且了解溫度如何影響其機(jī)械性能和分子結(jié)構(gòu)將為未來(lái)提供參考應(yīng)用和材料開發(fā)。實(shí)際上，根據(jù)SmarTech的2018年報(bào)告，使用增材制造的復(fù)合材料開發(fā)和應(yīng)用正在迅速增長(zhǎng)，到2028年，復(fù)合材料市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到100億美元，包括零件生產(chǎn)，硬件和材料。目前，航空航天和醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用是復(fù)合材料的主要驅(qū)動(dòng)力，但預(yù)計(jì)很快將擴(kuò)展到其他汽車，建筑，能源和消費(fèi)品行業(yè)。

選擇FDM（使用FlashForge Creator Pro）來(lái)制造兩種類型的復(fù)合結(jié)構(gòu)，即使用具有碳纖維面板的ABS和ASA（丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯）。制造了兩種用于芯的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一種為桁架或三角形，另一種為蜂窩或六角形。為了了解載荷和熱老化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，使用壓縮，拉伸和三點(diǎn)彎曲測(cè)試來(lái)研究這些部件的機(jī)械性能和失效。

圖片由Polymer Testing 91（2020）Journal / Deakin University提供

該研究還暗示了連續(xù)纖維增強(qiáng)如何比短切纖維提供更好的破壞載荷性能，因?yàn)槌跏计茐耐l(fā)生在孔壁內(nèi)的細(xì)絲交叉處：“蜂窩狀細(xì)胞具有更好的性能，因?yàn)樵诩?xì)胞壁之間存在更多的連續(xù)細(xì)絲。熱老化對(duì)這些連接也有更大的影響，因?yàn)榉肿拥乃沙诤椭亟M增加了連接的韌性。”為了模擬熱老化，通過(guò)在氣候試驗(yàn)箱中使樣品經(jīng)受變化的溫度來(lái)“老化”樣品。最高/最低溫度分別為60攝氏度和22攝氏度（低于聚合物的玻璃溫度），采用自動(dòng)化，高精度和高精度的設(shè)備，將溫度變化率控制在1攝氏度/分鐘。

圖片由Polymer Testing 91（2020）Journal / Deakin University提供

魔猴網(wǎng)點(diǎn)評(píng)：發(fā)現(xiàn)使用ASA的蜂窩結(jié)構(gòu)具有更高的抗彎強(qiáng)度，更高的應(yīng)變載荷特性和整體更高的承載能力（使用ABS或ASA），并且熱老化由于退火（和分子結(jié)構(gòu)）而增加了最大強(qiáng)度。具有結(jié)構(gòu)和材料的標(biāo)本）。退火似乎加強(qiáng)了層和印刷珠之間的結(jié)合。由熱老化引起的影響在很大程度上也可歸因于老化時(shí)間，而老化溫度沒有明顯影響。熱老化試樣還具有更好的剛度和破壞載荷性能，彎曲應(yīng)力比未老化試樣高15％。此外，ASA核心比ABS核心承受更高的應(yīng)變。

有趣的是，迪肯大學(xué)被認(rèn)為是美國(guó)和世界范圍內(nèi)AM領(lǐng)先的研究和教育機(jī)構(gòu)之一。 2017年，該大學(xué)的增材制造教授Ian Gibson獲得了國(guó)際自由形式和增材制造卓越獎(jiǎng)（FAME），以表彰他一生的成就和對(duì)3D打印的貢獻(xiàn)-其中包括與他人合著的有影響力的“增材制造技術(shù)”的銷售超過(guò)30萬(wàn)冊(cè)，建立了快速原型期刊和全球快速原型協(xié)會(huì)聯(lián)盟。上個(gè)月，該大學(xué)啟動(dòng)了一項(xiàng)針對(duì)MELD技術(shù)的研究和教育計(jì)劃，MELD技術(shù)是一種創(chuàng)新的露天金屬增材制造技術(shù)，可以建造大小的零件而無(wú)需熔化任何金屬。與美國(guó)的MELD Manufacturing Corporation合作，該大學(xué)在其Advanced Metal Manufacture Facility上安裝了MELD機(jī)器，并計(jì)劃資助進(jìn)一步研究MELD技術(shù)的材料，效率和應(yīng)用。

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