弗吉尼亞理工大學(xué)推出新型六自由度多軸工具，助力纖維增強(qiáng)3D打印

2025年6月6日，南極熊獲悉，弗吉尼亞理工大學(xué)機(jī)械工程系的研究人員推出了一種專為多軸3D打印設(shè)計(jì)的連續(xù)纖維增強(qiáng)（CFR）沉積工具，顯著提升了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。

相關(guān)研究以題為“Multi-axis material extrusion of continuous carbon fiber composites: tool design and mechanical characterization”的論文發(fā)表在，由Kieran D. Beaumont、Joseph R. Kubalak和Christopher B. Williams領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)表于《Springer Nature Link》期刊。

論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s00170-025-15749-8

研究表明，與傳統(tǒng)的平面短碳纖維（SCF）3D打印方法相比，新型多軸工具的最大負(fù)載能力提高了820%。它集成了三大關(guān)鍵功能：可靠的纖維切割和重新進(jìn)給、原位纖維體積分?jǐn)?shù)控制以及纖細(xì)的碰撞體積，以支持復(fù)雜的多軸刀具路徑。

新開發(fā)的沉積工具解決了CFR增材制造中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。它能夠在移動(dòng)過程中切割和重新送入連續(xù)纖維，這一功能對于創(chuàng)建復(fù)雜的幾何形狀至關(guān)重要，不會造成材料撕裂或打印失敗。此外，還可以通過調(diào)節(jié)聚合物擠出速率實(shí)現(xiàn)纖維體積分?jǐn)?shù)的原位控制。纖細(xì)的幾何形狀可最大限度地減少多軸運(yùn)動(dòng)過程中工具與打印部件之間的碰撞。

研究人員設(shè)計(jì)了沉積工具，用于共擠出熱塑性聚合物基質(zhì)和連續(xù)碳纖維 (CCF) 絲束浸漬材料。這種方法能夠在每次切割后實(shí)現(xiàn)可靠的纖維再進(jìn)料，并支持在單個(gè)部件內(nèi)以可變的纖維含量進(jìn)行打印。沉積工具纖細(xì)的碰撞體積支持實(shí)驗(yàn)中使用的機(jī)械臂增加運(yùn)動(dòng)范圍，從而允許在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中將纖維與三維載荷路徑對齊。

△六自由度機(jī)械臂利用CFR聚合物復(fù)合材料打印多軸幾何體。圖片來自Springer Nature Link。

機(jī)械測試證實(shí)承重能力有所提升

機(jī)械試驗(yàn)評估了連續(xù)纖維增強(qiáng)材料對聚乳酸 (PLA) 部件的影響。在拉伸試驗(yàn)中，用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的樣品在纖維方向上的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別為 190.76 MPa 和 9.98 GPa。相比之下，純 PLA 的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別為 60.31 MPa 和 3.01 GPa，而含有短碳纖維的部件的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別為 56.92 MPa 和 4.30 GPa。額外的試驗(yàn)評估了層內(nèi)和層間性能，結(jié)果表明連續(xù)纖維增強(qiáng)材料在這些方向上的機(jī)械性能有所降低。與純 PLA 相比，層內(nèi)拉伸強(qiáng)度和模量分別下降了 66% 和 63%，層間強(qiáng)度和模量分別下降了 86% 和 60%。

研究人員采用三種方法打印了彎曲拉伸桿幾何形狀，以評估在三維載荷路徑部件中的性能：平面短碳纖維增強(qiáng)聚乳酸 (PLA)、多軸短纖維增強(qiáng)樣品和多軸連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。與平面部件相比，多軸短纖維增強(qiáng)部件的最大載荷提高了 41.6%。同時(shí)，多軸連續(xù)纖維增強(qiáng)部件的載荷吸收量是平面短纖維增強(qiáng)樣品的 8.2 倍。掃描電子顯微鏡 (SEM) 的斷裂表面圖像顯示，纖維被拉出，纖維與基質(zhì)的結(jié)合有限，尤其是在含有連續(xù)纖維的樣品中。

△常見連續(xù)纖維增強(qiáng)材料擠出 (CFR-MEX) 工藝示意圖：原位浸漬、絲束預(yù)浸料擠出以及絲束預(yù)浸料共擠出。圖片來自Springer Nature Link。

為了驗(yàn)證沉積工具的光纖切割和再送料能力，研究人員打印了一個(gè)100 × 150 × 3毫米的矩形板，在六層打印過程中進(jìn)行了426次切割和再送料操作。沉積工具的成功率達(dá)到了100%，證明了可靠的切割和再送料性能，且沒有光纖堵塞。這種可靠性對于制造需要在沉積路徑之間頻繁移動(dòng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

通過打印一個(gè)長方體樣品，并改變聚合物進(jìn)料速率、路徑寬度和層高，驗(yàn)證了原位纖維體積分?jǐn)?shù)控制。通過橫截面顯微鏡和圖像分析測量，部件不同截面的纖維體積分?jǐn)?shù)分別為 6.51%、8.00% 和 9.86%。盡管低于一些文獻(xiàn)報(bào)道，但研究人員將其歸因于工具幾何形狀、聚合物-纖維相互作用時(shí)間和打印速度的特定組合。

沉積工具采用 Anisoprint 的 CCF 絲束預(yù)浸料，這是一種預(yù)浸漬連續(xù)碳纖維產(chǎn)品，纖維體積分?jǐn)?shù)為 57%，直徑為 0.35 毫米。選擇 3DXTECH 的黑色 PLA 和 SCF-PLA 長絲，以確保基質(zhì)性能的一致性，并避免顏料變化對機(jī)械測試的影響。實(shí)驗(yàn)使用配備工具更換器的 ABB IRB 4600-40/2.55 機(jī)械臂進(jìn)行，可在 CFR-MEX 沉積工具和帶有細(xì)長噴嘴的標(biāo)準(zhǔn) MEX 工具之間切換，用于平面打印。

△沉積工具 CAD 和組裝。圖片來自 Springer Nature Link。

現(xiàn)有研究背景和未來方向

增材制造中的連續(xù)纖維增強(qiáng)技術(shù)此前已證明可顯著提升部件性能，一些研究報(bào)告稱，采用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的PLA復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度高達(dá)650 MPa。然而，傳統(tǒng)的三軸打印方法將纖維取向限制在平面方向，從而將這些性能提升限制在XY平面內(nèi)。多軸3D打印方法已證明可提高短纖維增強(qiáng)部件的承載能力。例如，在壓力蓋和曲面幾何應(yīng)用中，多軸打印樣品的失效載荷比平面打印樣品高出數(shù)倍。

弗吉尼亞理工大學(xué)的工具集成了文獻(xiàn)中先前工具無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)的多種功能。它結(jié)合了基于雙驅(qū)動(dòng)擠出機(jī)的聚合物進(jìn)料器、纖維切割器和再進(jìn)料器組件，以及可調(diào)節(jié)相互作用時(shí)間的共擠出熱端，用于纖維-聚合物粘合。針狀幾何形狀和外部氣動(dòng)冷卻管降低了在多軸重新定向過程中與打印部件發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。測得的碰撞體積角（完整工具）為 56.2°，（熱端組件）為 41.6°。

△彎曲拉伸桿的荷載-延伸性能圖。圖片來自 Springer Nature Link。

盡管取得了這些進(jìn)展，研究人員仍發(fā)現(xiàn)了與纖維與聚合物基質(zhì)之間弱結(jié)合相關(guān)的挑戰(zhàn)。SEM圖像顯示，聚合物對纖維束浸漬劑的浸漬有限，纖維-基質(zhì)界面仍然是未來研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。研究強(qiáng)調(diào)，優(yōu)化纖維束尺寸并縮短打印過程中纖維-聚合物的相互作用時(shí)間可以增強(qiáng)層間和層內(nèi)性能。結(jié)果還表明，先進(jìn)的刀具路徑規(guī)劃算法可以進(jìn)一步利用刀具沿三維載荷路徑對齊纖維沉積的能力，從而提高功能部件的機(jī)械性能。

總結(jié)來看，Springer Nature Link 上發(fā)表的這篇文章記錄了 CFR-MEX 工具的完整設(shè)計(jì)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和機(jī)械特性。這項(xiàng)工作為多軸增材制造領(lǐng)域日益增長的研究增添了新的內(nèi)容，尤其是在將連續(xù)纖維增強(qiáng)材料與復(fù)雜幾何形狀相結(jié)合方面。