摘要
纤维增强树脂基复合材料3D打印技术无需模具，可实现复杂复合材料构件的一体化成形，是一种新兴的复合材料制造工艺。本文以连续碳纤维增强PLA复合材料为研究对象，基于纤维预浸复合丝材打印工艺，对成形中的打印头进行热流仿真分析，并探究复合丝材挤出后的固化相变过程。搭建打印实验平台，研究喷头温度和成形速度对连续碳纤维增强PLA复合材料制件静态力学性能的影响规律，优选工艺参数，并进一步探究其在不同加载速率下的动态力学特性。针对增材制造制件层间结合较弱的问题，完成激光辅助预热装置模块的搭建，实现对打印实验平台激光单向随行辅助温控预热功能的改造，探索激光辅助预热成形工艺，为后续设备开发及高性能材料体系的应用提供技术参考。 通过对打印头进行热流仿真分析，分别以基体树脂熔点线和低粘度线距离变化来分析喷头温度和成形速度对流道内温度场和粘度场的影响规律。喷头温度一定时，成形速度越大，熔点线距离越小，低粘度区逐渐萎缩，打印头内重熔浸渍效果越差；成形速度一定时，喷头温度越高，熔点线距离越大，低粘度区逐渐扩张，打印头内重熔浸渍效果越好。打印成形中，基体树脂易在喷嘴入口处熔化沉积，对纤维束进一步包裹浸润，同时其在喷嘴内壁面存在部分黏附停留，并于出口处发生胀大现象。喷头温度220℃，成形速度3mm/s工况下，材料离开喷嘴1mm处发生相变固化，并于4mm处液相分数降至0%。 基于纤维预浸复合丝打印工艺基本原理完成打印实验平台的搭建，研究喷头温度和成形速度对连续碳纤维增强PLA复合材料制件拉伸性能和层间剪切性能的影响规律，并优选工艺参数。研究表明，喷头温度越高，成形速度越低，成形性能越好，喷头温度和成形速度耦合作用对制件性能起积极作用，但极限高温低速下，性能提升不明显甚至会降低。拉伸性能建议工艺参数为喷头温度240℃，成形速度3mm/s；层间剪切性能建议工艺参数为喷头温度240℃，成形速度3mm/s~4mm/s。在此基础上，进一步探究该材料在不同加载速率下的动态力学特性，当应变率数量级在10-4s-1~1s-1时，制件极限拉伸强度随应变率的增大而增大，应变率达到10-1s-1，极限拉伸强度增加至366.96MPa，性能提升36.4%，但应变率达到10-1s-1后，增强效应就逐渐衰减。 通过搭建激光辅助预热装置模块，实现连续纤维增强复合材料激光单向随行辅助温控预热打印实验平台的改造，探索连续碳纤维增强PLA复合材料激光辅助预热成形工艺。研究表明，在一定温度范围内，制件层间剪切性能随激光预热温度的提升而增强，最大为9.50MPa，相比未进行激光预热处理的7.53MPa，有近26%的性能提升。预热温度需高于基体树脂的熔点线，且不能过高。预热温度达到200℃时，基体PLA初现烧蚀现象，激光辅助预热对成形造成性能损伤。预热距离应控制在1cm内。激光预热的引入为提升成形效率提供了可能性。同时激光辅助预热可改善来自成形中层道间的孔隙，平均孔隙率从21.13%降低至15.87%。后续成形工艺的优化需改进制丝设备，并复合辅助压实等功能。
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