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连续碳纤维增强复合材料3D打印喷头设计与实验分析

刘基盛 王叶松 李威 贾志新 方鹏程

刘基盛, 王叶松, 李威, 贾志新, 方鹏程. 连续碳纤维增强复合材料3D打印喷头设计与实验分析[J]. 制造技术与机床, 2023, (4): 56-63. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.04.009
引用本文: 刘基盛, 王叶松, 李威, 贾志新, 方鹏程. 连续碳纤维增强复合材料3D打印喷头设计与实验分析[J]. 制造技术与机床, 2023, (4): 56-63. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.04.009
LIU Jisheng, WANG Yesong, LI Wei, JIA Zhixin, FANG Pengcheng. Design and experimental analysis of 3D printing nozzle for continuous carbon fiber reinforced composites[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2023, (4): 56-63. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.04.009
Citation: LIU Jisheng, WANG Yesong, LI Wei, JIA Zhixin, FANG Pengcheng. Design and experimental analysis of 3D printing nozzle for continuous carbon fiber reinforced composites[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2023, (4): 56-63. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.04.009

连续碳纤维增强复合材料3D打印喷头设计与实验分析

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.04.009
基金项目: 国家自然科学基金(51775036)
详细信息
    作者简介:

    刘基盛,男,1986年生,博士,工程师,研究方向为增材制造、数字化设计与制造、现代机械设计方法。E-mail:liujisheng@ustb.edu.cn

    通讯作者:

    李威,男,1967年生,博士,教授,研究方向为增材制造、数字化设计与制造、现代机械设计方法,发表SCI、EI、中文核心等学术论文100余篇,教育部新世纪优秀人才。E-mail:liwei@me.ustb.edu.cn

  • 中图分类号: TH122

Design and experimental analysis of 3D printing nozzle for continuous carbon fiber reinforced composites

  • 摘要: 以“独立挤出”型连续碳纤维增强PLA复合材料(continuous carbon fiber reinforced PLA composite, CCFRC/PLA)3D打印制件为研究对象,设计了柔性的连续碳纤维增强PLA复合材料丝(continuous carbon fiber reinforced composite filament/PLA, CCFRCF/PLA)送丝机构,研究了打印喷嘴直径与CCFRCF/PLA直径、表面包裹树脂膨胀特性及打印层高的关系,探讨了喷嘴端面直径对打印表面热辐射的影响规律,推导了喷嘴直径的计算公式,求解了最佳喷嘴直径和最佳端面直径。基于设计的打印喷头,采用仿真分析与实验验证的方法,探索了打印层高与制件力学性能之间的关系,结果表明CCFRC/PLA的抗拉强度与纤维层数呈正相关,并验证了层合板预测模型的有效性,获得了打印层高0.1 mm时CCFRC/PLA抗拉强度的修正系数为0.039,打印层高0.2 mm时,修正系数为0.124,为连续碳纤维增强复合材料 3D打印技术的发展提供了理论基础和参考价值。

     

  • 图  1  CFRCF 3D打印喷头

    图  2  CCFRCF 3D打印喷头中的送丝机构

    图  3  CCFRCF/PLA打印形变示意图

    图  4  网格划分

    图  5  喷嘴端面对打印表面热辐射

    图  6  T=220 ℃喷嘴端面直径对打印表面受热影响

    图  7  打印喷头实物及打印效果

    图  8  CCFRC打印制件与铺设方法

    图  9  打印层数与抗拉强度关系

    图  10  仿真模型样件的纤维铺层方式

    图  11  打印样件仿真与试验样件拉伸强度关系图

    表  1  材料参数

    名称材料密度/
    ( kg/m3)
    弹性模量/
    GPa
    泊松比比热容/
    ( J/kg·℃)
    热导率/
    ( W/(m·k))
    喷嘴黄铜8 500960.34390397
    打印表面PLA1 2603.50.087.130.231
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    表  2  喷嘴220 ℃打印表面温度

    Df /mmT/℃Df /mmT/℃
    2.546.4114.581.754
    3.055.3095.090.306
    3.564.2145.598.555
    4.073.1156.0106.44
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    表  3  材料性能参数

    PLA属性CCFRCF/PLA属性
    熔融指数(190 ℃/2.16 kg)2增强纤维连续碳纤维
    热变形温度(℃,0.45 MPa)52包裹树脂PLA
    拉伸强度/MPa60合股丝径/mm0.35
    断裂伸长率/(%)29抗拉强度/ MPa1 200
    弯曲强度/MPa87弯曲模量/MPa3 642
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    表  4  打印参数

    名称参数名称参数
    CCFRCF/PLA、
    基体打印层高/mm
    0.1/0.2/0.3CCFRCF/PLA
    打印温度/ ℃
    220[17-19]
    基体打印温度/ ℃215CFRCF
    打印速度/( mm/min)
    400 [17-19]
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    表  5  不同纤维层数的拉伸强度实验数据

    层高CCFRCF/PLA
    层数(总层数)
    CCFRCF/PLA
    铺设位置(第几层)
    实验组
    拉伸强度/MPa
    0.1 mm0-43.94
    16104.52
    25、6122.48
    33、4、7154.52
    42、4、6、8524.48
    51、3、5、7、9542.04
    61、3、5、7、9、10724.52
    71、2、4、5、7、8、10461.48
    81、2、3、5、6、8、9、10495.52
    91、2、3、4、6、7、8、9、10560.16
    101、2、3、4、5、6、7、8、9、10582.64
    0.2 mm0-28.94
    13106.24
    22、4116.92
    32、3、4171.66
    42、3、4、5406.25
    51、2、3、4、5512.50
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    表  6  CCFRCF /PLA和PLA材料参数

    参数CCFRCF /PLAPLA
    拉伸强度/MPa557.2026.95
    拉伸模量/MPa9 192.50673.00
    拉伸失效伸长率/(%)9.206.20
    弯曲强度/MPa589.78-
    弯曲模量/GPa10.00-
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    表  7  不同纤维层数的拉伸强度模拟数据

    层高CCFRCF/
    PLA层数
    (总层数)
    CCFRCF/PLA
    铺设位置(第几层)
    模拟拉
    伸强度
    /MPa
    实验与模
    拟误差
    (%)
    0.1 mm0-45.743.94
    16112.146.80
    25、6131.286.70
    33、4、7160.543.75
    42、4、6、8554.625.43
    51、3、5、7、9569.94.89
    61、3、5、7、9、10748.393.19
    71、2、4、5、7、8、10478.173.49
    81、2、3、5、6、8、9、10518.834.49
    91、2、3、4、6、7、8、9、10588.244.77
    101、2、3、4、5、6、7、8、9、10602.983.37
    0.2 mm0-30.755.89
    13121.324.78
    22、4132.5811.81
    32、3、4196.0712.45
    42、3、4、5461.4111.95
    51、2、3、4、5587.512.76
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  • 收稿日期:  2022-12-28
  • 录用日期:  2023-02-16

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