连续纤维复合材料3D打印关键技术研究
发布时间：2021-03-31 09:55
连续纤维增强热塑性树脂复合材料具有优越的机械性能以及良好的可设计性,在制造业领域的应用范围越来越广泛。3D打印具有不依赖于模具制造、成型自由等优点,将其应用于复合材料成型有望实现轻质复杂结构件的一体化成型。针对连续纤维复合材料3D打印技术,本文开展了对连续纤维复合材料3D打印装置和打印基础工艺的研究,设计了用于连续纤维复合材料的打印喷头,进行了连续纤维复合材料3D打印基础工艺实验,仿真分析了纤维打印路径对制件力学性能的影响,旨在提高3D打印复合材料制件的质量,对探索连续纤维复合材料3D打印的应用领域具有重要意义。首先,对连续纤维复合材料3D打印喷头进行了结构设计。根据熔融沉积成型工艺原理,设计了3D打印喷头。利用有限元分析软件,对其进行温度场仿真和流场仿真分析,依据仿真结果指导打印喷头结构形式改进和结构参数优化,对连续纤维复合材料3D打印过程进行了仿真分析,从理论上验证了连续纤维复合材料3D打印制造的可行性。其次,设计了连续纤维复合材料3D打印装置和连续纤维预浸装置。对打印装置的整体框架、运动机构和控制系统进行了设计与选型,并对安装调试后的连续纤维复合材料3D打印装置进行了打印基础工艺...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Markforged公司桌
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4工艺（FDM）以喷嘴内部浸渍连续纤维的方式，设计并制造了连续纤维复合材料（CFRTPCs）3D打印喷头，如图1-3所示，利用该设备分别打印了连续碳纤维增强聚乳酸（PLA）复合材料试件和连续黄麻纤维增强聚乳酸（PLA）复合材料的试件，并对其力学性能进行了测试。测试结果表明连续碳纤维增强聚乳酸复合材料3D打印制件能够显著提高热塑性树脂材料的机械性能。图1-4所示为扫描电子显微镜观察得到的断裂表面，横截面有空隙而且纤维从树脂中拉出，表明纤维和树脂材料结合性差，需要进一步处理纤维表面，以获得更好的纤维和树脂界面结合性能。a)连续纤维3D打印示意b)连续纤维3D打印过程图1-3基于FDM喷嘴内浸渍制造CFRTPCs3D打印喷头图1-4扫描电子显微镜下试件的断裂表面MasaoYamawaki等[18]开发了一种配备适合连续碳纤维预浸丝束（C-CFRTP）材料的新型喷头结构的3D打印机，其打印喷头示意如图1-5所示，并对合适的工艺参数进行了研究。对比了50%纤维含量的制件经热压处理前后的拉伸强度，根据拉伸测试结果，制件经热压处理后的拉伸强度和杨氏模量相对处理前分别增加了700MPa和37GPa，表明热压处理能显著提高打印制件的力学性能。Ken-ichiroMori等[19]对比了纯树脂和碳纤维增强丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）塑料3D打印制件的拉伸断裂性能，测试结果表明，通过在3D打印拉伸样件中设计与力加载方向成45°夹角的打印路径，能够有效地阻止拉伸样件中的裂纹扩展。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4工艺（FDM）以喷嘴内部浸渍连续纤维的方式，设计并制造了连续纤维复合材料（CFRTPCs）3D打印喷头，如图1-3所示，利用该设备分别打印了连续碳纤维增强聚乳酸（PLA）复合材料试件和连续黄麻纤维增强聚乳酸（PLA）复合材料的试件，并对其力学性能进行了测试。测试结果表明连续碳纤维增强聚乳酸复合材料3D打印制件能够显著提高热塑性树脂材料的机械性能。图1-4所示为扫描电子显微镜观察得到的断裂表面，横截面有空隙而且纤维从树脂中拉出，表明纤维和树脂材料结合性差，需要进一步处理纤维表面，以获得更好的纤维和树脂界面结合性能。a)连续纤维3D打印示意b)连续纤维3D打印过程图1-3基于FDM喷嘴内浸渍制造CFRTPCs3D打印喷头图1-4扫描电子显微镜下试件的断裂表面MasaoYamawaki等[18]开发了一种配备适合连续碳纤维预浸丝束（C-CFRTP）材料的新型喷头结构的3D打印机，其打印喷头示意如图1-5所示，并对合适的工艺参数进行了研究。对比了50%纤维含量的制件经热压处理前后的拉伸强度，根据拉伸测试结果，制件经热压处理后的拉伸强度和杨氏模量相对处理前分别增加了700MPa和37GPa，表明热压处理能显著提高打印制件的力学性能。Ken-ichiroMori等[19]对比了纯树脂和碳纤维增强丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）塑料3D打印制件的拉伸断裂性能，测试结果表明，通过在3D打印拉伸样件中设计与力加载方向成45°夹角的打印路径，能够有效地阻止拉伸样件中的裂纹扩展。
【参考文献】：
期刊论文
[1]连续亚麻纤维增强聚乳酸预浸带的制备及性能[J]. 刘常衡,朱凯丽,谭洪生,马晓敏,王杰,邢海妮,郑利杭,李秋红. 高分子材料科学与工程. 2020(02)
[2]3D打印连续芳纶纤维/聚乳酸波纹夹层结构复合材料的压缩性能研究[J]. 刘良强,肖学良,董科,钱坤,周红涛. 塑料工业. 2020(01)
[3]3D打印连续芳纶纤维增强聚乳酸复合材料的拉伸性能研究[J]. 刘良强,肖学良,董科,钱坤,周红涛. 塑料工业. 2019(12)
[4]连续碳纤维复合材料3D打印的成型工艺研究[J]. 张帆,谭跃刚,马国锋,张俊. 机械设计与制造. 2019(07)
[5]3D打印技术及其应用[J]. 侯良衡. 电子制作. 2019(12)
[6]3D打印连续碳纤维增强热塑性复合材料弯曲性能研究[J]. 胡家荣. 塑料科技. 2019(11)
[7]纤维增强树脂复合材料3D打印流场分析与仿真[J]. 黄无云,程军,刘益剑,杨继全,朱小刚,刘正武,乔凤斌. 塑料. 2019(02)
[8]连续碳纤维增强聚乳酸复合材料3D打印及回收再利用机理与性能[J]. 刘腾飞,田小永,朱伟军,李涤尘. 机械工程学报. 2019(07)
[9]基于同步改性浸渍的碳纤维增强树脂复合材料三维打印工艺研究[J]. 朱小刚,刘正武,乔凤斌,韩宁达,程军,杨继全,李宗安. 南京师范大学学报(工程技术版). 2019(01)
[10]高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印[J]. 明越科,段玉岗,王奔,肖鸿,张小辉. 航空制造技术. 2019(04)
硕士论文
[1]碳纤维增强形状记忆聚合物3D打印兼赋形的关键技术研究[D]. 王冰冰.哈尔滨工业大学 2018
[2]纤维增强复合材料超声辅助增材制造技术研究[D]. 李英睿.哈尔滨工业大学 2018
[3]纤维增强复合材料增材制造技术研究[D]. 夏正付.哈尔滨工业大学 2017
[4]碳纤维长纤复合材料3D打印的成型工艺及其打印系统[D]. 马国锋.武汉理工大学 2017
[5]连续碳纤维热塑性预浸带的制备机理及实验研究[D]. 李华宙.华南理工大学 2015
本文编号：3111239
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4工艺（FDM）以喷嘴内部浸渍连续纤维的方式，设计并制造了连续纤维复合材料（CFRTPCs）3D打印喷头，如图1-3所示，利用该设备分别打印了连续碳纤维增强聚乳酸（PLA）复合材料试件和连续黄麻纤维增强聚乳酸（PLA）复合材料的试件，并对其力学性能进行了测试。测试结果表明连续碳纤维增强聚乳酸复合材料3D打印制件能够显著提高热塑性树脂材料的机械性能。图1-4所示为扫描电子显微镜观察得到的断裂表面，横截面有空隙而且纤维从树脂中拉出，表明纤维和树脂材料结合性差，需要进一步处理纤维表面，以获得更好的纤维和树脂界面结合性能。a)连续纤维3D打印示意b)连续纤维3D打印过程图1-3基于FDM喷嘴内浸渍制造CFRTPCs3D打印喷头图1-4扫描电子显微镜下试件的断裂表面MasaoYamawaki等[18]开发了一种配备适合连续碳纤维预浸丝束（C-CFRTP）材料的新型喷头结构的3D打印机，其打印喷头示意如图1-5所示，并对合适的工艺参数进行了研究。对比了50%纤维含量的制件经热压处理前后的拉伸强度，根据拉伸测试结果，制件经热压处理后的拉伸强度和杨氏模量相对处理前分别增加了700MPa和37GPa，表明热压处理能显著提高打印制件的力学性能。Ken-ichiroMori等[19]对比了纯树脂和碳纤维增强丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）塑料3D打印制件的拉伸断裂性能，测试结果表明，通过在3D打印拉伸样件中设计与力加载方向成45°夹角的打印路径，能够有效地阻止拉伸样件中的裂纹扩展。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4工艺（FDM）以喷嘴内部浸渍连续纤维的方式，设计并制造了连续纤维复合材料（CFRTPCs）3D打印喷头，如图1-3所示，利用该设备分别打印了连续碳纤维增强聚乳酸（PLA）复合材料试件和连续黄麻纤维增强聚乳酸（PLA）复合材料的试件，并对其力学性能进行了测试。测试结果表明连续碳纤维增强聚乳酸复合材料3D打印制件能够显著提高热塑性树脂材料的机械性能。图1-4所示为扫描电子显微镜观察得到的断裂表面，横截面有空隙而且纤维从树脂中拉出，表明纤维和树脂材料结合性差，需要进一步处理纤维表面，以获得更好的纤维和树脂界面结合性能。a)连续纤维3D打印示意b)连续纤维3D打印过程图1-3基于FDM喷嘴内浸渍制造CFRTPCs3D打印喷头图1-4扫描电子显微镜下试件的断裂表面MasaoYamawaki等[18]开发了一种配备适合连续碳纤维预浸丝束（C-CFRTP）材料的新型喷头结构的3D打印机，其打印喷头示意如图1-5所示，并对合适的工艺参数进行了研究。对比了50%纤维含量的制件经热压处理前后的拉伸强度，根据拉伸测试结果，制件经热压处理后的拉伸强度和杨氏模量相对处理前分别增加了700MPa和37GPa，表明热压处理能显著提高打印制件的力学性能。Ken-ichiroMori等[19]对比了纯树脂和碳纤维增强丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）塑料3D打印制件的拉伸断裂性能，测试结果表明，通过在3D打印拉伸样件中设计与力加载方向成45°夹角的打印路径，能够有效地阻止拉伸样件中的裂纹扩展。
【参考文献】：
期刊论文
[1]连续亚麻纤维增强聚乳酸预浸带的制备及性能[J]. 刘常衡,朱凯丽,谭洪生,马晓敏,王杰,邢海妮,郑利杭,李秋红. 高分子材料科学与工程. 2020(02)
[2]3D打印连续芳纶纤维/聚乳酸波纹夹层结构复合材料的压缩性能研究[J]. 刘良强,肖学良,董科,钱坤,周红涛. 塑料工业. 2020(01)
[3]3D打印连续芳纶纤维增强聚乳酸复合材料的拉伸性能研究[J]. 刘良强,肖学良,董科,钱坤,周红涛. 塑料工业. 2019(12)
[4]连续碳纤维复合材料3D打印的成型工艺研究[J]. 张帆,谭跃刚,马国锋,张俊. 机械设计与制造. 2019(07)
[5]3D打印技术及其应用[J]. 侯良衡. 电子制作. 2019(12)
[6]3D打印连续碳纤维增强热塑性复合材料弯曲性能研究[J]. 胡家荣. 塑料科技. 2019(11)
[7]纤维增强树脂复合材料3D打印流场分析与仿真[J]. 黄无云,程军,刘益剑,杨继全,朱小刚,刘正武,乔凤斌. 塑料. 2019(02)
[8]连续碳纤维增强聚乳酸复合材料3D打印及回收再利用机理与性能[J]. 刘腾飞,田小永,朱伟军,李涤尘. 机械工程学报. 2019(07)
[9]基于同步改性浸渍的碳纤维增强树脂复合材料三维打印工艺研究[J]. 朱小刚,刘正武,乔凤斌,韩宁达,程军,杨继全,李宗安. 南京师范大学学报(工程技术版). 2019(01)
[10]高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印[J]. 明越科,段玉岗,王奔,肖鸿,张小辉. 航空制造技术. 2019(04)
硕士论文
[1]碳纤维增强形状记忆聚合物3D打印兼赋形的关键技术研究[D]. 王冰冰.哈尔滨工业大学 2018
[2]纤维增强复合材料超声辅助增材制造技术研究[D]. 李英睿.哈尔滨工业大学 2018
[3]纤维增强复合材料增材制造技术研究[D]. 夏正付.哈尔滨工业大学 2017
[4]碳纤维长纤复合材料3D打印的成型工艺及其打印系统[D]. 马国锋.武汉理工大学 2017
[5]连续碳纤维热塑性预浸带的制备机理及实验研究[D]. 李华宙.华南理工大学 2015
本文编号：3111239
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