导读
纤维增强复合材料的增材制造已经在工业领域得到广泛的应用，增材制造（AM）通常被称为3D打印，有多种不同的方法：基于光聚合的立体光刻法（SLA）、基于塑料层合的层合物制造法(LOM)、选择性激光烧结法(SLS)和基于塑料细丝熔化的熔融沉积建模法（FDM）。在工业应用中，由于成本优势，FDM方法比其他方法更常见。但另一方面，其打印出来的试件的力学性能非常低，不能用于结构件。
为了改善这一情况，伊斯法罕大学M.Heidari-Rarani(第一作者兼通讯作者)及其团队在《Composites Part B》上发表了题为“Mechanical characterization of FDM 3D printing of continuous carbon fiber reinforced PLA composites”的文章，设计并制造了一种新型挤压机，用于FDM 3D打印。并对纯聚乳酸和碳纤维增强聚乳酸材料的标准拉伸和三点弯曲试样进行了打印和准静态加载试验。
内容简介
该挤压机由黄铜喷嘴、铝热块、加热器、铝散热器等部件组成，并存在两个接入口，一个用于进口基体细丝，另一个接入碳纤维丝。碳纤维丝通过一个狭窄的不锈钢管穿过热块，直到喷嘴的末端。这条管道防止纤维与熔化的塑料接触并且防止喷嘴堵塞。
图1 （a）新型挤压机原理图 （b）挤压机实物
打印过程中，基体细丝受到挤压，同时碳纤维丝受到一个牵引力。它防止了纤维在打印过程中由于喷嘴和平台之间的相对运动而发生变形。由于基体细丝的进给速率是由挤压机的速度控制的，所以纤维和熔融的塑料以恒定的比例同时注入。此外，还对挤压机部件进行了热稳态分析。如图2所示，最低温度和最高温度分别在散热器和热块。
图2 （a）挤压机模型（b）模型网格图（c）热稳态分析
材料选择方面，由于聚乳酸（PLA）是一种来自可再生资源的可生物降解材料并具有较好的机械性能并且熔点比苯乙烯（ABS）低，所以在本文章中被重点研究。另一方面碳纤维具有比刚度和比强度大、耐热性好的特点，所以作为被研究的纤维增强材料。
用纯聚乳酸和连续碳纤维增强聚乳酸(CCFR-PLA)打印标准拉伸和弯曲试样，由于打印方向对材料的力学性能有显著影响，纯PLA和CCFR-PLA试样均沿纵向印刷，以达到其最高强度。打印试件的几何特性如图3所示。
图3 试样（a）几何特性（b）最后打印试样
拉伸和三点弯曲测试是通过一个通用测试机（Santam STM-150）与500公斤的测压元件进行。分别用三个样品对每种性能都进行了测试。拉伸试验的加载速率为2mm/min。弯曲试验采用三点弯曲夹具进行，将载荷压头直径调整为5 mm，其十字头速度为2 mm/min。弯曲模量和强度计算如下：
(其中F为弯曲力，L为跨长，b为试件宽度，h为厚度，
图4 （a）拉伸试验（b）三点弯曲试验
图5 纯PLA和CCFR-PLA试样的拉伸应力-应变曲线
图6 纯PLA和CCFR-PLA试样三点弯曲载荷-位移曲线
图7 纯PLA和CCFR-PLA的机械性能对比
图8 CCFR-PLA试件的弯曲破坏模式（a）弯曲试验和分层开始（b）试件破坏和纤维断裂（c）弯曲试验示意图（d）最终破坏示意图
由图8可以看出首先出现在各层之间的微裂纹，随着荷载的增加，微裂纹沿试件长度扩展，导致两层之间分层。此外，分层对裂纹萌生有重要的影响，这说明纤维表面的制备对基体与纤维的良好结合有显著的影响。
图9 （a）CCFR-PLA试样的横截面（b）碳纤维区域标记（c）碳纤维体积分数估测示意图
另一个需要测量的重要参数是纤维体积分数Vf，通过测量试样截面碳纤维的面积和试样横截面的总面积的比值得到，如图9所示。同时利用阿基米德原理测得材料的实际密度，进而求得材料空隙率为9.1%，通过对比文献，确定结果的可靠性。
小结
总的来说该研究设计制造了一台用于FDM工艺下的3D打印的挤压机，并分析了打印材料的几个重要力学参数，证实了与原材料相比，纤维增强复合材料对机械性能的提升。同时分析了CCFR-PLA材料的主要失效模式和基体-纤维的破坏模式，指出高孔隙率是CCFR复合材料现存的主要问题。
原始文献：M.Heidari-Rarani, M.Rafiee-Afarani, A.M.Zahedi. Mechanical characterization of FDM3D printing of continuous carbon fiber reinforced PLA composites[J]. Composites Part B:Engineering, 2019,175:107147
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