北化大贾明印副教授《Thin-Walled Structures》：3D打印连续玻璃纤维增强聚乳酸复合材料

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3D打印技术，是一种无需复杂模具和频繁人工操作的快速成型技术，目前广泛采用的熔融沉积成型（FDM）3D打印技术，多使用纯树脂或短纤增强树脂为打印原材料，其成型制品的机械性能往往低于传统加工方式，难以满足各领域对高性能材料的需求。为获得更高性能的打印制品，北京化工大学新材料及装备研究室贾明印副教授开发熔融浸渍法制备高纤维含量（45wt%以上）的连续玻璃纤维增强聚乳酸（CGF/PLA）预浸丝，如图1所示，将其作为打印耗材用于研制的FDM 3D打印机，以制备机械性能更优的打印制品。

图1续纤维增强热塑性3D打印丝材制备设备

为了实现聚乳酸（PLA）对玻璃纤维束的完全浸渍，得到机械性能更好的连续玻纤增强聚乳酸复合材料打印制品，北京化工大学贾明印副教授放弃了传统的连续纤维增强复合材料的3D打印方法——在打印头内进行纤维浸渍后直接打印制品，提出了一种新型的3D打印工艺流程（图2），使用自行设计的熔融浸渍设备（图2）对连续玻璃纤维束进行充分浸渍并制备成1mm直径的预浸丝，将其作为打印耗材用于自行改装的FDM 3D打印机，并研究预浸丝浸渍工艺参数和打印工艺参数对打印制品机械性能的影响。

图2. CGF/PLA复合材料3D打印制备与测试示意图

图3. CGF/PLA预浸丝制备示意图及不同纤维含量对其机械性能的影响

一定程度上增加预浸丝的纤维含量能有效地提高打印制品的机械性能，纤维含量达到45wt%时制品机械性能更优。继续提升纤维含量，树脂含量很低，会使打印过程愈发困难，也会降低预浸丝的黏结能力，使制品力学性能一定程度降低。该研究就打印温度和打印速度对CGF/PLA复合材料制品机械性能进行了测试与分析（图3）。结果发现，随着打印温度的提升，制品的机械性能提高，随着打印速度的提高，制品的机械性能有所下降。经过相关工艺参数的优化，CGF/PLA复合材料打印制品的弯曲强度和模量分别达到313MP和21.5GPa，其机械性能明显高于使用单一物料或使用短纤增强的复合材料为原材料的FDM 3D打印制品，相对于在打印喷头内部对连续纤维进行浸渍然后直接打印的制品，该研究能显著提高树脂对连续纤维束的浸渍程度，对制品的机械性能有一定程度的提升。

该工作以《Optimization of printing parameters of 3D-printed continuous glass fiber reinforced polylactic acid composites》为题发表在《Thin-Walled Structures》上，第一作者为北京化工大学的陈轲博士后，通讯作者为北京化工大学的贾明印副教授。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263823121001877

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