高性能3D打印热塑性复合材料缺陷与防控策略研究进展
高性能3D打印热塑性复合材料缺陷与防控策略研究进展
高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术凭借其轻量化、复杂结构制造及功能集成等优势，受到了业界的广泛关注。然而，该技术在实际应用中仍面临诸多挑战，如高性能丝材加工难度大、打印缺陷难以根除、过程控制复杂等问题。近日，《Composites Part B》期刊刊发了由北京航空航天大学、西安交通大学等国内外多家科研机构联合完成的研究成果，该成果聚焦于高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印过程中的缺陷及其消除方法，为高性能3D打印技术的发展提供了重要理论支撑。
高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印
工艺：预浸料长丝直接打印技术
该技术采用预浸料丝材进行3D打印，通过精确控制打印路径与丝材沉积方式，构建出复杂的三维复合材料结构。材料：高性能丝材的应用
该技术选用PEEK、PPS、TPI、TLCP等高性能聚合物，并加入功能性填料，制备出高纤维体积分数的丝材，以提升材料的整体性能。极端应用下的性能挑战
现有3D打印复合材料在极端环境下性能存在差距，主要源于高性能丝材加工难度大及打印缺陷多，导致材料性能和稳定性难以满足需求。主要问题：工艺缺陷
由于高纤维体积分数限制了聚合物的流动性，3D打印过程中易产生聚合物和纤维缺陷，如孔隙、纤维损伤及纤维分布偏差等，这些缺陷会严重影响复合材料的力学性能、界面性能及层间性能。
图1展示了预浸料丝束的制备过程及基于FFF技术的高性能cFRPCs预浸料丝束直接打印
图2揭示了cFRPCs打印过程中产生的工艺诱导缺陷
聚合物相关缺陷分析
打印过程引起的孔隙
过程引起的孔隙主要存在于聚合物结构中，包括打印重叠孔隙、层间孔隙及层内孔隙。这些孔隙的形成与聚合物流动性差、打印丝材堆叠不当、打印压力及温度不稳定等因素有关。孔隙的影响及消除方法
孔隙缺陷会降低复合材料的层间性能、拉伸强度及压缩强度等。为消除孔隙缺陷，可采用原位强化、后处理等方法，如张力、压实、真空辅助、额外能量辅助（超声波、等离子体等）及热压等。
图3揭示了孔隙缺陷对材料性能的影响
纤维相关缺陷：纤维损伤
纤维损伤的原因及影响
纤维损伤主要发生在丝材进料、挤出及堆叠阶段，由挤出机构的挤压、喷嘴摩擦等因素导致。纤维损伤会降低复合材料的拉伸刚度、强度及断裂伸长率等力学性能。纤维损伤的消除方法
为减少纤维损伤，可采用橡胶驱动轮替代金属齿轮，减少连续纤维在送料过程中的损伤。同时，选择更大的喷嘴和更高的层厚度也可降低纤维在喷嘴中的摩擦和挤出压力。
纤维相关缺陷：纤维分布偏差
纤维分布偏差的原因及影响
纤维分布偏差包括纤维平直度、取向及均匀度等方面的偏差。这些偏差主要由打印过程参数不当、丝材变形及温度变化等因素引起。纤维分布偏差会显著降低复合材料的力学性能。纤维分布偏差的消除方法
优化打印过程参数、控制丝材变形及温度变化等方法，有助于减少纤维分布偏差，提升复合材料性能。
特定区域缺陷：转向区域
转向区域缺陷的原因及影响
在连续纤维复合材料3D打印过程中，纤维在转向点易断裂、扭曲及错位，形成转向区域缺陷。这些缺陷会严重影响材料的性能。转向区域缺陷的消除方法
通过优化喷嘴对纤维产生的张力、增加打印平台的自由度及采用多自由度打印策略等方法，可消除或最小化转向打印过程中产生的缺陷。
图4展示了纤维弯曲缺陷的研究结果
特定区域缺陷：表面缺陷
由于3D打印材料在喷嘴处加热软化后快速冷却，难以实现聚合物之间的完美融合，导致打印件表面出现堆积缺陷、划痕、冗余缺陷等表面缺陷。这些缺陷会影响打印件的质量及性能。
图5展示了3D打印过程中的表面缺陷
图6展示了消除表面缺陷的方法，如双喷嘴打印、表面依赖性和优化及压缩辅助打印等
总结与展望
工艺引起的缺陷挑战
3D打印复合材料存在众多工艺引起的缺陷，如孔隙率高、纤维损伤及平整度偏差等。这些缺陷对复合材料的性能产生严重影响。当前缺陷消除方法存在效率低、成本高等问题，迫切需要新的解决方案。未来研究方向
未来研究应深入探讨纤维相关缺陷的生成机制，并开发在线消除方法。同时，应关注高性能纤维及聚合物基复合材料的3D打印技术，以推动该技术在航空航天等领域的应用。
小结
本文分析了高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印过程中产生的缺陷，并提出了相应的消除方法。这些研究为提高打印质量和材料性能提供了理论指导和实践参考，有助于推动该技术在高端领域的应用。
参考文献：
Zhu, W., Fu, L., Tian, X., Zhi, Q., Hou, Z., Zhang, Z., ... & Li, D. (2024). Three-dimensional printing of high-performance continuous fiber-reinforced thermoplastic composites: Causes and elimination of process-induced defects. Composites Part B: Engineering, 292, 112080.