【研究背景】
材料挤出（MEX）基于3D打印技术因其高效性、灵活性和成本优势，在航空航天、汽车、电子和生物医药等领域广泛应用于制造结构件和复合材料。特别是，基于连续纤维增强的3D打印复合材料（CFRCs）在力学性能和轻量化设计中展现出巨大的潜力。然而，传统的MEX打印方法在提高性能方面仍面临一些挑战，特别是在纤维方向、喷嘴几何形状和打印层间空隙对拉伸性能和损伤模式的影响上。因此，如何优化3D打印CFRCs的微观结构和改善性能成为了当前研究的重点。
鉴于此，斯威本科技大学Louise Olsen-Kettle等团队在3D打印的ABS/CF连续纤维增强复合材料的性能提升方面取得了重要进展。该团队通过数值模拟研究，探讨了不同喷嘴形状（圆形与方形）、纤维方向及挤出物堆叠顺序对打印质量和力学性能的影响。研究表明，喷嘴几何形状对拉伸性能和损伤模式有显著影响。特别是，方形喷嘴能够产生超椭圆形挤出物，这种挤出物能够显著提高打印层的堆积密度，从而改善了材料的机械性能。
通过对比不同喷嘴形状的模拟结果，研究团队发现，方形喷嘴不仅降低了材料中的空隙含量，还显著提高了极限拉伸强度、刚度以及拉伸破坏应变。此外，超椭圆形挤出物在纤维方向偏离载荷方向时，表现出更少的损伤模式和更强的抗拉性能。研究还表明，与传统的均匀固体复合材料相比，3D打印的CFRCs在优化喷嘴形状和纤维方向的情况下，能够实现更高的力学性能和更低的损伤。
以上成果在“Additive Manufacturing”期刊上发表了题为“Effects of nozzle geometry and fiber orientation on the tensile strength of 3D printed continuous fiber reinforced composites”的最新论文。
【科学亮点】
· 显式建模挤出物的微观结构几何形状。
· 揭示喷嘴几何形状和纤维方向对拉伸性能的影响。
· 方形喷嘴产生超椭圆挤出物。
· 超椭圆挤出物提高了打印层的堆积密度。
· 超椭圆挤出物表现出优越的拉伸性能和更少的损伤模式。
【图文解读】
图1. Lamé曲线(a)圆形与方形喷嘴，(b)印刷的椭圆与超椭圆挤出物，采用规则堆叠(方形堆叠)的示意图(c)使用椭圆挤出物，(d)形成较大钻石空洞，(e)使用超椭圆挤出物，(f)形成较小钻石空洞，(g)重叠区域的椭圆挤出物，以及(h)重叠区域的超椭圆挤出物。
图2. 3D图示(a)拉伸模型示意图，(b–f)不同纤维角的网格。颜色仅用于可视化目的。(g)带有椭圆挤出物的3D打印CFRC网格中的四面体元素。
图3.椭圆挤出物引起的钻石形空洞(a)数值模型中，(b)来自Rodriguez等人的SEM图像。超椭圆挤出物引起的钻石形空洞(c)数值模型中，(d)来自Papon和Haque的SEM图像。
图4. (a)椭圆挤出物的网格收敛结果，(b)超椭圆挤出物的网格收敛结果。请注意括号中的数字是网格中所有元素考虑的最大四面体长度大小。
图5.材料纤维方向与全球方向（单轴拉伸加载方向）成角度θ的全球和材料轴比较。
图6.使用(a)纤维角与拉伸杨氏模量的曲线比较块体与3D打印CFRC网格，以及(b)纤维角与极限拉伸应力的比较。
图7.带有椭圆挤出物的3D打印CFRC模型验证。
图8.带有椭圆和超椭圆挤出物的3D打印ABS/CF CFRC在不同纤维方向下的主要损伤模式。图例值0表示失效元素，1表示完整元素。（对于图例中颜色的解释，请参阅本文章的网络版本。）
图9.带有椭圆挤出物的3D打印ABS/CF CFRC在不同失效模式和纤维角下的内部损伤（失效元素）。图例值0表示失效元素。（对于图例中颜色的解释，请参阅本文章的网络版本。）
图10.带有超椭圆挤出物的3D打印ABS/CF CFRC在不同失效模式和纤维角下的模拟内部损伤。失效标记值0表示失效元素。
图11.使用椭圆挤出物（a–e）和超椭圆挤出物（g–k）模拟的不同纤维方向和规则堆叠顺序的3D打印CFRC断裂模式，以及Kiendl等人实验测试的结果（f）。
【科学启迪】
本文的研究揭示了喷嘴几何形状和纤维方向对3D打印连续纤维增强复合材料（CFRCs）力学性能的重要影响。通过明确建模挤出物的微观结构，研究人员发现方形喷嘴产生的超椭圆挤出物在提高打印层堆积密度和降低丝间空隙方面表现出显著优势，这直接导致了材料的极限拉伸强度和刚度的显著提升。此外，随着纤维角度偏离载荷方向，材料的强度和变形性能逐渐下降，提示在实际应用中需谨慎选择纤维排列方式以优化力学性能。
这项研究不仅强调了在材料挤出3D打印过程中控制微观结构的重要性，还为改善复合材料的设计与制造提供了理论依据和实用指导。未来，进一步探索不同几何形状的喷嘴及其对其他性能的影响将有助于推动3D打印技术在航空航天、汽车和建筑等领域的广泛应用，从而实现高性能复合材料的量产和应用。通过不断优化打印参数，科学家们可以开发出更加优质和高效的3D打印材料，推动智能制造的发展。
原文详情：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104490
