中科院FDM 3D打印碳纖維/PEEK復合材料研究

    基于FDM技術3D打印碳纖維/PEEK復合材料結構,其彎曲性能和斷裂行為所表現出的微觀結構與機理會是怎么樣的呢?

    近期,來自中國科學院空間應用工程與技術中心研究團隊使用遠鑄智能(INTAMSYS)的高性能材料3D打印機FUNMAT HT對自主研發的碳纖維PEEK復合材料進行3D打印工藝的系統研究,取得重要科研進展。

    聚醚醚酮,簡稱PEEK,是一種熱塑性聚合物,具有高強度,耐高溫,耐化學腐蝕等特點,對3D打印行業有著舉足輕重的影響。目前,聚醚醚酮已被用于制造3D打印衛星、3D打印汽車零部件、人體植入物,未來還將可能涉足其他領域。在PEEK 3D打印技術中,與大多數非金屬材料類似,FDM工藝制造打印件的Z向層間結合力遠低于X、Y方向,被認為是限制其應用的重要因素之一。

    趙偉、李秋實等學者通過在絲材中摻雜碳纖維,并運用遠鑄智能FUNMAT HT機器研究了垂直打印方向對碳纖維聚醚醚酮3D打印件彎曲性能的影響,這種垂直方向打印的彎曲樣條具有優異的力學性能,彎曲強度達到146 MPa,重要的是,還與傳統注塑件具有接近一致的彎曲強度。

 

1. 碳纖維PEEK 3D打印材料制備與打印過程

 

 

2. 碳纖維摻雜與垂直打印方式打印件彎曲性能對比

    作者發現碳纖維的引入,不僅提高了打印件的剛性強度,而且結晶度更均勻,同時分析了碳纖維引入和打印方向對于打印件微觀結構組成、打印件受力斷裂模式,這些都有利于大型部件的制造。同時,可以觀察到運用遠鑄智能(INTAMSYS3D打印機通過改變打印方向和打印參數,除打印件具有優異的力學性能,還具有較為光滑的表面。

CF / PEEK零件的脆性彎曲斷裂橫截面的SEM電鏡照片

 

    總體上,該研究提出了一種普適性的制備滿足多種受力情況PEEK打印件的方法,該方法為制備大型打印件提供了新思路,通過調節其他摻雜組分、打印方向和微觀結構,運用遠鑄智能(INTAMSYS3D打印機和INTAMSUITE軟件,使得PEEK碳纖維材料有更強的空間適應性和更多的功能性,所制備的PEEK打印件有望在耐高溫工業部件、汽車航天等領域得到進一步的應用。

    現在越來越多的廠商開始涉足諸如PEEK類似的復合材料的3D打印技術,其表現出來的優異性能,讓眾多下游應用方躍躍欲試。這個方向可能讓相對成熟的FDM 3D打印技術煥發出新的活力和生命。

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