连续碳纤维形状记忆复合材料改善3D打印力学性能

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3d打印机＿研究人员Yongsan An和Woon－Ryeol Yu通过研究替代材料进行3D打印改进探索，在最近发表的《连续碳纤维增强形状记忆聚合物复合材料的3D打印》中，讨论了困扰许多工业用户的机械性能的挑战。在本文中，我们一起来看看研究人员是如何利用复合材料改善3D打印力学性能的。

在这项研究中，研究人员在FDM 3D打印中尝试使用连续碳纤维增强形状记忆聚合物复合材料（SMPC）——热塑性塑料和热固性塑料。

【连续纤维增强聚合物复合材料，短纤维增强聚合物复合材料和FDM制备的聚合物基体的力学性能】

研究人员对参数进行了测试，并打印了样品，更多地了解了SMP等智能材料的优点和局限性——能够随环境变化，然后又恢复回正常形状。这种类型的材料与4D材料相近，允许用户在各种应用中获得更大的灵活性。研究团队希望随着碳复合材料的加入而改进制造工艺。

研究团队为该研究创建了一个定制的FDM 3D打印机，以制造连续纤维增强的SMPC零件。在材料方面，选择了两种不同类型用于评估：PLA和聚氨酯型SMP长丝（作为热塑性基质）和SMP环氧树脂作为热固性基质。然后，该团队将连续碳纤维添加到长丝中进行加固。

【用于（a）热塑性塑料和（b）热固性塑料的连续碳纤维增强聚合物复合材料的3D打印系统的示意图】

他们在打印出待测样品时，试验了温度和打印速度的差异，然后由团队评估机械和形状记忆特性。

【CF和PLA复合材料的3D打印。（a）仅PLA，（b）直径为1．5毫米的喷嘴，和（c）直径为2毫米的喷嘴】

研究人员在文中写到，“储能模量（G＇），损耗模量（G”）和PLA的粘度在其熔点附近降低。储能模量以比损耗模量更大的速率降低，使PLA具有更多液体性质。因此，PLA可以很容易地从温度为180℃的喷嘴中挤出。”

“不含CF的PLA长丝从喷嘴平滑地挤出，无论其直径是否大于熔合面积。然而，对于直径为1．5mm的喷嘴，PLA基质被挤出，就像螺旋缠绕CF一样。这是因为PLA挤出比CF更多，因为CF在挤出过程中没有被拉伸。此外，恶劣的温度和不同的挤出速度导致CF在3D打印过程中失效。另一方面，对于直径为2毫米的喷嘴，PLA和CF由于其挤压速度同步而被直接挤出。扩展：新材料网

这里面存在许多挑战，例如CF未完全涂覆PLA。为了更好地优化PLA和CF的供应速度以及材料的结构和聚变时间，研究人员创造了一种改进的打印头，他们还增加了日历卷和适当的张力装置。

研究人员表示，与传统3D打印聚合物相比，打印的SMPC在纤维方向上的显示出更好的机械性能。

机械性能的强度和稳定性是3D打印中的一个持续挑战，但随着研究人员决心完善从碳晶格到钛的测试，以及检查生物相容性问题的渐进式制造技术的材料和工艺，仍有不断改进的空间。