【摘 要】
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连续纤维增强热塑性复合材料3D打印工艺是将3D打印的高自由度与连续纤维增强热塑性复合材料（CFRTPC）的高性能有机结合起来的先进制造技术,可实现高强度、复杂零件的快速成型。但CFRTPC复合材料3D打印工艺仍存在打印制品表面质量差、界面结合弱的突出问题,难以满足工业生产对高性能复材的要求,极大的限制了3D打印复合材料的应用和发展。本课题以短纤增强尼龙6复合材料和连续纤维增强尼龙6复合材料（CGF
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连续纤维增强热塑性复合材料3D打印工艺是将3D打印的高自由度与连续纤维增强热塑性复合材料（CFRTPC）的高性能有机结合起来的先进制造技术,可实现高强度、复杂零件的快速成型。但CFRTPC复合材料3D打印工艺仍存在打印制品表面质量差、界面结合弱的突出问题,难以满足工业生产对高性能复材的要求,极大的限制了3D打印复合材料的应用和发展。本课题以短纤增强尼龙6复合材料和连续纤维增强尼龙6复合材料（CGF/PA6）为打印原料,使用熔融沉积（FDM）双喷头3D打印技术成型上下表层为短纤层,中间层为连续纤维层的“三明治”夹层结构复合材料,探究了CGF/PA6预浸丝的材料组分和打印工艺参数对夹层结构复合材料微观结构、孔隙率和力学性能的影响,有效解决了3D打印CFRTPC复合材料表面质量差的问题。同时引入超声波振动装置,利用超声波的振动作用和热学效应,促进了熔融沉积界面聚合物分子链的充分扩散与融合,有效改善了复合材料的表面质量和层间结合强度。主要研究成果如下:1、采用熔融浸渍工艺制备出CGF/PA6预浸丝材,探明了所制丝材与3D打印技术的匹配性,研究了玻纤类型、玻纤含量和相容剂含量对复合材料综合性能和微观结构的影响,确定了最佳的预浸丝组分。2、采用FDM双喷头3D打印工艺制备了夹层结构复合材料,探究了打印温度、打印速度和打印层厚对夹层结构打印制品表面质量、机械性能、微观结构形态以及孔隙率的影响,确定了最佳的打印工艺参数,当CGF/PA6夹芯层厚度为2.8mm时,其拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、缺口冲击强度和层间剪切强度分别达到了290.7MPa、275.44MPa、10.761GPa、168.19k J/m~2、26.52MPa。3、设计了一套超声辅助3D打印设备,研究了超声频率对复合材料表面质量、界面性能和力学性能的影响,当超声频率为50KHz时,CGF/PA6打印制品的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、缺口冲击强度和层间剪切强度分别为521.5MPa、397.11MPa、34.42GPa、272.29KJ/m~2和62.301MPa,对比相同打印工艺下未经超声处理的复合材料力学性能,分别提升了54.57%、28.63%、41.32%、22.74%和138.43%。本课题的研究成果对促进CFRTPC复合材料3D打印技术的发展具有重要的理论指导意义,可拓展3D打印CFRTPC复合材料在结构复材领域的应用。
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