3D打印工藝可以生產(chǎn)出幾何形狀更為復(fù)雜的零部件，但通常認(rèn)為該工藝生產(chǎn)出的零部件的機(jī)械性能較弱，這是由于3D打印工藝中材料的各向異性存在、層間強(qiáng)度較低和微觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性所致。想要改善這種情況，需要從基礎(chǔ)的打印材料上入手，通過研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯、纖維、碳納米管、金屬粉末等作為增強(qiáng)材料使用時(shí)，可以提升零部件一定的機(jī)械性能。智上新材推薦一種自帶高強(qiáng)機(jī)械性能的新型復(fù)合材料，它便是熱塑性碳纖維復(fù)合材料。
　　
 
　　3D打印CF/PA復(fù)合材料測(cè)試，再使用紅外加熱預(yù)熱復(fù)材
　　
　　有國外專業(yè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了3D打印熱塑性碳纖維復(fù)合材料的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中以連續(xù)碳纖維和熱塑性樹脂聚酰胺（PA）作為基礎(chǔ)材料，并在打印過程中，使用紅外加熱器在打印噴嘴前加熱前一層復(fù)合材料以提高層間粘合性能，再通過三點(diǎn)彎曲測(cè)試研究了紅外加熱對(duì)CF/PA樣品機(jī)械性能的影響。
　　
 
　　1、材料準(zhǔn)備：熱塑性聚酰胺（PA）樹脂，其抗拉強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均為57MPa，直徑為1.75mm；3K碳纖維其抗拉強(qiáng)度為4900MPa，彈性模量為245GPa。
　　
　　2、CF/PA長絲制備：使用熔融浸漬生產(chǎn)線將聚酰胺（PA）和碳纖維制成CF/PA長絲，生產(chǎn)線包括三個(gè)主要部分：纖維展開區(qū)、聚合物混合區(qū)和成型區(qū)，CF/PA長絲制備完成后，待后續(xù)打印使用。
 
 
　　3、3D打印CF/PA樣品：打印CF/PA樣品時(shí)采用橢圓形的連續(xù)路徑（如上圖），參數(shù)預(yù)設(shè)為打印噴嘴溫度240°C，加熱床溫度80°C，3種打印速度（5mm/s、2.5mm/s和1.5mm/s），打印結(jié)束后，從剪切線上剪下圓角，獲得了兩個(gè)矩形三點(diǎn)彎曲測(cè)試樣品。
　　
　　4、紅外加熱預(yù)熱：為了實(shí)現(xiàn)更好的層間粘接效果，進(jìn)一步提升CF/PA樣品的機(jī)械性能上限，使用紅外加熱器對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行預(yù)熱操作，紅外加熱器預(yù)設(shè)8.0A和3.2V的電流。
　　
　　5、三點(diǎn)彎曲測(cè)試：根據(jù)“ISO14125 - 纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料彎曲性能的測(cè)定”標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)CF/PA樣品進(jìn)行測(cè)試，獲取對(duì)應(yīng)的彎曲強(qiáng)度和模量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對(duì)比。
　　
 
　　低打印速度下，紅外加熱可提升CF/PA樣品的機(jī)械性能上限
　　
　　上圖為CF/PA樣品三點(diǎn)彎曲測(cè)試結(jié)果的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，曲線圖顯示，1.5mm/s的紅外預(yù)熱打印速度呈現(xiàn)出最高的彎曲強(qiáng)度，明顯高于2.5mm/s和5mm/s。分析認(rèn)為：打印速度越慢，紅外加熱可以更好的預(yù)熱前一層復(fù)合材料，進(jìn)一步提升層間粘接能力。根據(jù)曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，使用紅外加熱器在1.5mm/s和2.5mm/s打印速度下，CF/PA樣品可以獲得更好的機(jī)械性能，但在5mm/s時(shí)則相反，這是因?yàn)榇蛴∷俣忍鞎r(shí)，無法將上一層復(fù)合材料預(yù)熱到所需的溫度。
　　
 
　　上表為三點(diǎn)彎曲測(cè)試中記錄的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表，表中顯示1.5mm/s打印速度下，紅外加熱的CF/PA樣品具有最高的平均彎曲強(qiáng)度，約為418.99MPa。與1.5mm/s未使用紅外的樣品相比，1.5mm/s使用紅外的樣品彎曲強(qiáng)度增加了15.93%，彈性模量增加了21.93%。數(shù)據(jù)總體顯示，在低打印速度下，彎曲強(qiáng)度和模量的提升較為明顯，而在5mm/s這樣的高打印速度下，彎曲強(qiáng)度和模量反而呈現(xiàn)出較大的下降。
　　
 
　　通過實(shí)際的測(cè)試，可以總結(jié)為：紅外加熱預(yù)熱可大幅提升熱塑性碳纖維復(fù)合材料3D打印成型后零部件的機(jī)械性能，但只適用于低打印速度的成型加工中。熱塑性碳纖維復(fù)合材料的成型方式并不局限于3D打印一種，而且高性能的熱塑性樹脂（如PEEK、PPS）等還支持模塑成型、熱壓成型等，另外還支持高溫?zé)嶂厮?。智上新材認(rèn)為熱塑性碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展尚處于起步階段，只有不斷的嘗試和研究，總結(jié)和改進(jìn)，才能讓熱塑性碳纖維在整個(gè)材料行業(yè)和整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮出更大的價(jià)值。