在全球增材制造快速发展的形势下,复合材料的高效制造技术具有广阔的发展前景。以连续碳纤维和芳纶纤维作为增强材料的热塑性复合材料,由于具有连续纤维增强的优势,近年来成为航空航天、汽车交通等领域国内外行业龙头企业的重点研发方向,其在国内外终端市场也保持活跃态势并快速增长。开展连续纤维增强热塑性复合材料的低成本一体化快速制造,对推动连续纤维增强热塑性复合材料的进一步广泛应用具有重要意义。为此,本文围绕基于FDM 3D打印的连续纤维增强热塑性复合材料的高效制备技术,开展了以下三个方面的研究工作:(1)设计并制备了不同形状类型、单元尺寸等级及相对密度的TPU蜂窝结构,并研究了其对蜂窝结构压缩性能与弯曲性能的影响。研究结果表明,减小单元尺寸,增大相对密度,都会提高蜂窝结构的最大压缩应力,较为典型的如相对密度为20%、40%、60%的六边形蜂窝结构最大压缩应力分别为0.1MPa、0.7MPa、3.3MPa,表现出明显的提高。较大的相对密度还会降低压缩回弹率,提高能量损失效率。蜂窝结构的弯曲性能同样由形状类型、尺寸等级及相对密度三个因素共同作用。随着相对密度的增加,最大弯曲载荷明显增大,而挠度逐渐减小。(2)对3D打印机的送丝装置和喷头装置进行了改造,成功实现了连续芳纶纤维增强TPU复合材料的制备。通过对改进后3D打印机工艺参数的重新调试,得到了制备复合材料的最佳工艺参数:打印温度为235℃,打印速度为5mm/s。制备了不同打印路径、取样方式及纤维层数的复合材料标准拉伸试样,并进行拉伸测试。结果表明,连续芳纶纤维增强TPU复合材料可大幅度提高TPU基体的抗拉强度,而断裂伸长率略有降低。0°芳纶纤维方向复合材料的拉伸强度提高了124.2%,0/90°方向提高了55.8%,45/-45°方向有所降低;直接打印成型的试样的拉伸强度比裁剪成型的试样提高了 56.4%,断裂伸长率也提高了 110.2%;随着纤维层数增多,试样的拉伸强度升高,而断裂伸长率随之减小,加入3层、6层芳纶纤维的复合材料拉伸强度分别提高了 243.9%、421.8%,断裂伸长率降低了24.8%、88.8%;TPU具有的高弹性决定了复合材料较大的断裂伸长率,芳纶纤维的高强度决定了复合材料较高的拉伸强度。利用SEM观察发现,随着纤维层数增多,打印层厚减小,层间结合紧密,芳纶与TPU结合较好,提高了综合拉伸性能。(3)按照打印机默认与代码编程修改的两种打印路径制备了连续芳纶纤维增强TPU复合材料不同形状类型和尺寸等级的蜂窝结构,并进行了压缩回弹性能测试和弯曲性能测试。研究结果表明,在压缩过程中,三角形与正方形连续芳纶纤维增强TPU复合材料蜂窝结构的最大应力相比TPU材料分别提高了 11.2%和48.2%,压缩回弹率分别降低了2.9%和4.6%,能量损失效率分别提高了 18.6%和13.7%。在弯曲过程中,三角形与正方形连续芳纶纤维增强TPU复合材料蜂窝结构的最大载荷分别提高了 131.8%和96.9%,最大挠度略有减小。相比打印机默认打印路径下打印蜂窝结构的压缩性能与弯曲性能,通过代码编程修改打印路径下的压缩与弯曲综合性能均略差。