3D打印用ABS丝材性能研究

以丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)为基体,分别以碳酸钙、短切玻璃纤维(GF)和色母粒为改性填料,通过挤出成型制备改性ABS丝材,然后采用3D打印技术中的熔融沉积成型(FDM)技术,通过FDM型3D打印机打印测试试样,对其力学性能及收缩率展开研究。研究结果表明,碳酸钙填料的加入使得ABS 3D打印试样的拉伸强度降低,用量为2份的短切GF可略微提高试样的拉伸强度,但随着GF含量的增加拉伸强度下降;当打印速度不高于50 mm/s时,相比于橘黄色母粒,蓝色母粒可提高试样的拉伸强度;改性ABS试样的拉伸性能随着打印速度的增加呈现两种不同的变化趋势,这可能由材料流动性能的差异所引起;随碳酸钙或GF用量增加,试样的收缩率逐渐降低,其中GF改性ABS试样收缩率的降低幅度更大,相比于橘黄色母粒,蓝色母粒的加入能够更有效地降低ABS试样的收缩率。     

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

将连续芳纶纤维(Kevlar)和聚乳酸(PLA)分别用作增强体和基体,同时引入熔融沉积成型(FDM)打印工艺制备样品,研究了打印层高、线宽、温度对连续芳纶纤维复合材料拉伸性能的影响。结果表明,随着打印层高与线宽的减小,试样中纤维含量逐渐增加,试样的拉伸强度显著增大。同时随着打印温度的增加,基体与纤维束结合加强,在一定范围内试样强度呈现上升趋势。当打印层高为0.3 mm,纤维体积分数为4.1%,试样的拉伸强度可达127 MPa,较纯PLA试样拉伸性能提高124.6%;较传统的纯PLA材料3D打印试样,连续芳纶纤维的加入极大地提高了试样的拉伸性能。     

基于XFEM短纤维聚醚醚酮复合材料结构稳定性数值模拟分析

熔融沉积成型(FDM)制备短纤维增强聚合物复合材料成型技术日趋完善。采用FDM-3D挤压工艺制备了纤维含量为10%的短碳纤维(CF)和玻璃纤维(GF)增强的高性能聚醚醚酮复合材料,通过拉伸实验获取聚醚醚酮(PEEK)、碳纤维聚醚醚酮复合材料(CF/PEEK)以及玻璃纤维聚醚醚酮复合材料(GF/PEEK)试样应力-应变曲线。在此基础上,以单边缺口弯曲断裂试样为对象,基于扩展有限单元法(XFEM)建立三种材料的数值模拟模型,分别讨论了含初始裂纹缺陷和无预制裂纹状况下试样的结构稳定性。结果表明,在相同条件下CF/PEEK复合材料构件先于纯PEEK材料、GF/PEEK复合材料发生结构失效行为,且当构件中存在热裂纹的状况下,CF/PEEK复合材料构件更有可能发生断裂失效。     

短碳纤维增强PC/ABS合金及力学性能分析

以改性短碳纤维为增强材料增强PC/ABS合金,采用熔融共混的方法制备了PC/ABS短碳纤维复合材料,研究了复合材料样条的力学性能与短碳纤维含量的关系。扫描电镜和红外光谱分析表明,纤维的改性有利于其与PC/ABS合金的结合。拉伸性能测试结果表明,3和6 mm改性碳纤维均能提高复合材料的拉伸强度,3 mm碳纤维复合材料优于6 mm。当3 mm的改性碳纤维复合材料添加量为10%时,复合材料的拉伸强度比含3%碳纤的复合材料提高了35. 52%;动态力学性能测试结果表明,添加改性碳纤维能提高复合材料的储能模量,增强复合材料的刚性。     

ABS增韧PC/CF共混体系加工流变与力学性能

利用微量双螺杆挤出机，通过熔融共混挤出注塑的方法，在PC/CF共混体系中添加ABS对其进行增韧改性，实验对共混体系加工过程中的流变行为进行了分析，分别研究了碳纤维及ABS的含量对复合材料力学性能的影响，并探讨了黏度与力学性能变化的机理，最后通过扫描电子显微镜观测拉伸及冲击破坏的试样断面形态。结果表明，当CF含量为2%时，PC/CF复合材料假塑性最强，熔融状态下易于流动加工，力学性能也最为优异；CF含量不变，当ABS含量为30% ~ 35%时，PC/CF/ABS三元共混物同时具有良好的流动性及力学性能。扫描电镜照片显示，拉伸破坏的主要破坏方式为界面脱胶，而冲击破坏的主要破坏方式为纤维断裂；PC/CF/ABS三元共混物试样断裂面韧性断裂成份要明显多于PC/CF二元共混物，表明复合材料的力学性能得到了改善。     

干纤维铺放真空辅助成型复合材料的性能

模拟干纤维铺放原理,将连续热塑性纤维作为定型材料铺放在碳纤维无皱褶织物中间,在热压条件下制备复合材料预成型体,并采用真空辅助工艺制备复合材料试样。测定了采用不同预成型压力、预成型温度以及热塑性纤维含量等预成型条件下制备的复合材料试样的纤维体积含量、力学性能以及微观结构等。结果表明,预成型压力越大,纤维体积含量越高,当预成型压力达到1 MPa以后,纤维体积含量趋于稳定,最高可达65%;在相同预成型压力下,随着定型材料用量的增加,纤维体积含量降低,力学性能随之降低;预成型温度对复合材料的性能影响主要取决于定型材料本身是否发生熔融,若发生熔融,定型材料会对复合材料性能产生不利影响。     

TPU对ABS熔融沉积成型性能的影响

采用熔融共混制备丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物/热塑性聚氨酯（ABS/TPU）3D打印耗材,通过熔融沉积成型（FDM）制备标准测试样条,并对ABS/TPU体系的成型性能、力学性能、微观结构、流变性能进行研究。结果表明,TPU改性ABS的成型性能均优于未改性ABS,当TPU质量分数大于20 %时,成型过程不发生翘曲收缩现象;同时有较好的力学性能,缺口冲击强度为18.81 kJ/m2比纯ABS提高了95.94 %,拉伸强度为32.92 MPa,下降了8.5 %;TPU质量分数大于20 %时,材料发生韧性断裂,并随TPU的增加,断面粗糙程度增加,有空洞现象;ABS/TPU具有较好的相容性,且随TPU含量增加,ABS/TPU分子链扩散能力增加。     

3D打印参数对制品层间黏结性能的影响

研究了打印制品层间黏结性能与打印参数(如喷头温度、打印层高等)、退火与否以及打印材料种类之间的关系,使用桌面熔融沉积成型(FDM)成形机打印了一系列的标准拉伸及冲击性能测试样。结果表明,丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和聚乳酸(PLA)打印试样的拉伸强度和断裂伸长率均随着喷头温度的增加而提高,随层高的增加而下降;扫描电子显微照片表明,ABS和PLA试样均随着打印层高的增大,断面层间孔隙逐渐增大,丝材黏结面积减小;退火后,ABS试样的残余应力得到去除,拉伸强度和韧性得到稳定和改善,PLA试样蜷曲开裂现象加剧,拉伸强度和韧性下降。     

MWNTs/ABS导电3D打印复合耗材的制备与性能

通过双螺杆共混挤出制备不同含量的多壁碳纳米管(MWNTs)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)导电3D打印复合材料。研究了挤出加工次数和MWNTs含量对导电3D打印复合材料的导电性能的影响,分析了不同MWNTs添加量导电3D打印材料的力学行为。结果表明:随挤出加工次数的增加,MWNTs在ABS中的分散更加均匀;增加MWNTs含量不仅可以显著提高3D打印材料的导电性,而且也能提高复合材料的拉伸强度和显微硬度,但材料的韧性下降明显。控制最佳挤出条件,制成了具有防静电功能的导电3D打印复合材料,进行熔融沉积成型(FDM)打印测试效果良好。     

熔融沉积成型聚醚醚酮力学性能多尺度分析

对挤出成型(EM)聚醚醚酮(PEEK)和熔融沉积成型(FDM) PEEK试样进行单轴拉伸试验。结果表明,与EM试样相比,FDM试样屈服强度为98.30 MPa,提高4.3%,拉伸模量无明显变化,断裂应变为22.6%,下降87.1%。FDM试样拉伸断口微观形貌显示,试样以脆性断裂为主,伴有部分韧性断裂,试样内部存在大量规则孔洞,显著降低材料的韧性。针对PEEK材料的拉伸过程,通过建立PEEK材料的Johnson-Cook模型,模拟了材料的拉伸断裂过程,vonM ises应力最大偏差为5.8%,与试验较符合;从细观尺度模拟研究FDM不同搭接微孔洞对材料力学性能的影响,结果表明,与三尖瓣状微孔洞相比,星形线状微孔洞下制件承受的拉应力下降27.4%,丝材并行搭接将会降低材料的拉伸强度。     

用于FDM的导电ABS/MWCNT复合材料的制备

采用熔融共混法将丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)与多壁碳纳米管(MWCNT)复合,并对所得的复合材料进行了力学性能、热性能和电学性能分析。结果表明,添加MWCNT能够提高复合材料的力学性能、电导率和耐热性,力学性能在MWCNT添加量为2%时最佳,电导率随MWCNT添加量的增加而增大,MWCNT添加量为4%时,其电导率能达到4.35×10-6S/m。将添加4%MWCNT的复合材料拉丝,然后以三种打印方向进行熔融沉积(FDM)打印,研究了打印试样的力学性能,用扫描电镜(SEM)观察了其断面形貌。结果表明,水平方向打印的试样力学强度最好,侧向打印的试样次之,垂直方向打印的样品由于仅靠丝材的层间黏结,其力学强度比较差,与纯ABS丝材打印试样相比,复合丝材打印试样的拉伸强度和弯曲强度均有明显提高,冲击强度有所下降。     

3D打印ABS改性聚碳酸酯力学性能分析

以(ABS)和聚乳酸(PC)为实验原料,分别配制ABS质量分数为10%、20%、30%和40%的PC/ABS混合料,再经双螺杆挤出机挤出造粒后得到PC/ABS复合材料。分别以纯PC和不同组分的PC/ABS复合材料为实验材料,在粒料3D打印机上制备抗拉伸和冲击试样,并对打印制品做力学性能测试。实验结果表明,随着ABS含量的增加,制品最大拉伸强度呈先减小后增大再减小的趋势,当ABS含量为30%时,复合材料的平均拉伸强度最大,为54.84 MPa。制品的抗缺口冲击强度随着ABS含量的增大呈先增大后减小的趋势,当ABS含量为30%时,材料的抗冲击强度最大,为24.8 kJ/m~2。     

退火工艺对3D打印制品性能的影响

使用熔融沉积成型(FDM)工艺,3D打印了聚乳酸(PLA)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)材质的试样,并将试样在不同退火温度和时间下进行热处理。将退火后的试样进行拉伸性能测试、扫描电镜分析和X-射线衍射分析。结果表明:ABS试样在退火温度为40℃、退火时间为3 h时,平均拉伸强度和断裂伸长率最大。随着退火温度的提高,PLA试样的拉伸强度和结晶度均呈先增大后减小的趋势,且试样的拉伸强度和结晶度呈正相关关系。当退火温度为100℃、退火时间为1 h时,PLA试样的拉伸强度最大。通过扫描电镜观察发现,随着退火时间的延长,PLA和ABS打印试样的断面层间孔隙减小,丝材的粘结面积增大。     

注射成型短碳纤维增强聚乙烯复合材料力学性能的研究

研究了碳纤维含量对注射成型高密度聚乙烯/碳纤维复合材料拉伸强度、硬度和弹性模量的影响。结果表明,随着碳纤维含量的增加,复合材料的硬度、弹性模量和拉伸强度逐渐增大;当碳纤维含量小于3.3 %时,复合材料的硬度、弹性模量和拉伸强度成线性增加趋势;当碳纤维含量大于3.3 %时,复合材料的硬度、弹性模量和拉伸强度的上升趋势增大。     

基于SCFNA法辊压制备PDMS/SCF导电复合材料

利用空间限域强制组装法(SCFNA)的辊压成型方法制备了PDMS/SCF导电复合材料,并且,与传统平板热压印方式制备的PDMS/SCF导电复合材料的微观形貌、导电性能和拉伸力学性能进行对比分析。结果表明,采用SCFNA辊压方式制备的PDMS/SCF导电复合材料可以使碳纤维在聚合物基体内形成密实的导电网络,实现了强制组装;并且,由于辊子反复辊压混料,聚合物基体中的碳纤维发生了取向,因此,在碳纤维含量相同的情况下,与平板热压印法相比,辊压方法制备的PDMS/SCF导电复合材料具有更好的电学性能和拉伸力学性能;在碳纤维质量分数为6%的情况下,复合材料的电导率最大提高了105.1%,拉伸强度提高了18.6%,断裂伸长率提高了9.16%。     

基于FDM的低翘曲玻璃纤维改性ABS粒料的制备与性能

采用玻璃纤维（GF）、苯乙烯-丙烯腈共聚物（SAN）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）制备GF/ABS复合材料，通过工业级熔融沉积成型（FDM）设备打印测试件，探究GF含量、偶联剂、ABS和SAN的质量比对复合材料打印件翘曲率和力学性能的影响。结果表明：随着GF含量的增大，打印件的翘曲率和力学性能逐渐下降。当GF含量为7份时，打印件的翘曲率为2.89%，平行打印方向和垂直打印方向试件的拉伸强度分别为36.32 MPa和30.59 MPa。材料中加入偶联剂，可以进一步降低打印件的翘曲率，提高力学性能。随着SAN含量的增加，打印件的翘曲率逐渐减小，力学性能逐渐提高。当ABS和SAN树脂的质量比为50∶50,GF和偶联剂含量分别为5份和0.5份，打印件的翘曲率降至2.07%；平行打印方向和垂直打印方向试件的拉伸强度分别提高至46.02 MPa和41.53 MPa。     

高纤维含量的短切碳纤维增强尼龙流变行为研究

以40%高纤维含量的短切碳纤维增强尼龙(PA66/SCF(40%))复合材料为研究对象,采用高压毛细管流变仪对其挤出料粒进行稳态流变试验,并采用扫描电子显微镜(SEM)观察其注塑试样拉伸断面表观形貌,深入研究了高纤维含量下短切碳纤维增强尼龙的流变行为。结果表明,随着表观剪切速率增加,材料挤出过程中总压力降不断增加;随着温度增加,总压力降逐渐减小;PA66/SCF(40%)复合材料为假塑性流体,存在剪切变稀行为,在较高剪切速率下,纤维沿流动方向发生取向;材料挤出胀大比与弹性回复有关,挤出胀大比随剪切速率增加而增加,随温度增加而减小。     

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

以连续芳纶纤维(Kevlar)为增强体,热塑性聚乳酸(PLA)为基体,采用熔融沉积成型(FDM)工艺,设计并制备了一体成型的Kevlar/PLA波纹夹层结构复合材料。研究了Kevlar/PLA波纹夹层结构复合材料在压缩载荷下的断裂模式,分析了结构参数、工艺参数对试样的压缩性能和结构密度的影响。结果表明,随着芯层波纹数量的增加,试样的压缩性能与结构密度均呈增大趋势;随着芯层波纹高度的增大,试样的压缩强度先增大后减小,结构密度不断减小;随着打印层高的增大,试样中的纤维体积含量不断减少,试样的压缩强度略有下降。     

喷嘴结构对FDM制备玻璃纤维增强聚乳酸复合材料性能的影响

研究了3D打印喷嘴流道直径、流道结构等对熔融沉积成型(FDM)制备的玻璃纤维增强聚乳酸复合材料性能的影响。结果表明,当直喷嘴直径为1 mm时,复合材料的拉伸强度和弯曲强度最大,分别为46、28.5 MPa;而发散型喷嘴直径为1 mm时,复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别达到了48.5、32.5 MPa,后者比前者分别提高了7.78%和18.2%。偏光显微镜和扫描电子显微镜结果分析表明,发散型喷嘴保留了较长的玻璃纤维长度,并有利于纤维的取向。     

短切CF增强TPEE热塑性复合材料的注射成型及力学性能研究

以热塑性聚酯弹性体(TPEE)为基体材料,8 mm短切碳纤维(CF)为增强材料,制备CF/TPEE复合材料。材料通过双螺杆挤出系统混合塑化、挤出造粒后,再经过注塑成型制备成标准拉伸试样,通过力学性能测试及微观结构观察,系统研究了碳纤维含量和等离子表面处理对CF/TPEE复合材料拉伸性能的影响。结果表明,当碳纤维含量为20%时,CF/TPEE复合材料的拉伸强度最大,为39.08 MPa;相比于纯TPEE,其拉伸强度提高了217%;经过等离子表面处理后,拉伸强度进一步提高了5%。结合拉伸后断面的SEM图发现,注塑试样表层碳纤维取向度高,而近中区和中心层取向度相对较低,这是注射CF/TPEE复合材料拉伸性能提高效应不明显的主要原因。