在航空航天、建筑工程等领域,纤维增强复合材料和点阵结构具有高比强度、高比刚度等力学性能而得到广泛应用。传统的制备方法,如缠绕、注塑成型,均存在制造时间长、工艺繁琐等缺点。因此学者们提出利用3D打印技术来制造纤维增强复合材料,但以尼龙(PA)、聚乳酸(PLA)为原材料的3D打印复合材料强度较低,并且在成型过程中受打印参数的影响较大,制备试样的力学性能差异性较大。为解决上述问题,本文运用3D打印技术制备以PLA、PA及玻璃纤维/尼龙(GF/PA)为原材料的拉伸、断裂及点阵结构试样,并对其力学性能进行研究,运用扫描电子显微镜(SEM)对试样的断面进行研究,分析工艺参数和原材料对试样力学性能的影响机制。以数字图像相关方法(DIC)为辅助手段,计算试样在不同载荷作用下的位移场和应变场,揭示3D打印复合材料及结构失效机理,研究的具体内容如下:1.利用3D打印技术制备PA和GF/PA复合材料试样,并对其拉伸力学性能进行研究,分析工艺参数和原材料对3D打印复合材料力学性能的影响。研究结果表明,随着打印温度增加,3D打印复合材料拉伸强度和弹性模量呈先上升后下降趋势。随着打印速度增加,3D打印复合材料拉伸强度和弹性模量呈上升趋势。在PA材料里加入玻璃纤维作为增强相时,3D打印复合材料试样抗拉强度和弹性模量较未添加玻璃纤维时有所增加。2.利用3D打印技术制备以PLA、PA和GF/PA为原材料的试样,研究其在三点弯曲载荷作用下的静态断裂性能,利用SEM分析试样断口形貌,采用DIC方法监测试样在加载过程中的变形演化,揭示3D打印复合材料断裂失效机理及工艺参数对其影响机制。实验结果表明,随着打印温度和打印速度增加,3D打印复合材料的断裂韧性下降,加入玻璃纤维的3D打印PA复合材料较未加玻璃纤维的试样,断裂韧性有所下降。3.运用3D打印技术制备不同工艺参数和原材料的点阵结构试样,对其准静态压缩力学性能进行实验和有限元仿真研究。研究结果表明:随着打印温度和速度的增加,点阵结构试样屈服强度、塑性平台应力下降。当PA材料加入玻璃纤维之后,屈服强度、塑性平台应力和致密化应变呈现下降的趋势,下降幅度分别为68.75%、68%和33.3%。但重复加载性能上升。有限元仿真结果表明,在压缩初始阶段,点阵结构力学性能呈线弹性。当点阵结构圆环在压缩过程达到极限强度后,载荷值趋于稳定,随着加载位移的增加,结构上下端的圆环因变形太大而发生破坏,将载荷传递到中间圆环部分,使其出现持续受压的现象。当点阵结构破坏时,所有圆环被挤压在一起,结构处于致密化阶段,承压能力急剧增加。4.研制了基于熔融沉积成型技术(FDM)的连续碳纤维增强热固性复合材料3D打印机,含有打印头、纤维束输送管、存放环氧树脂的装置、控制系统和XY运动机构等部件,能够实现连续纤维增强热固性复合材料薄板及结构件3D打印成型。结果表明,3D打印连续碳纤维增强热固性复合材料的力学性能(抗拉强度和弹性模量)明显优于3D打印连续纤维增强热塑性复合材料和3D打印短碳纤维增强复合材料。