Odznaczony przez armię USA, ciągłe, trójwymiarowe, kompozytowe elementy z tworzywa sztucznego wzmocnione włóknem węglowym

Streszczenie brzmi: "Obecne prace skupiły się na scharakteryzowaniu wytrzymałości na rozciąganie ciągłych próbek wzmocnionych włóknami wytwarzanych metodą ciągłego żarnika (CFF). Próbki badano w wielu orientacjach z ciągłym włóknem węglowym i bez niego. Porównując próbki 0⁰ wzmocnione włóknami węglowymi z próbkami bez ciągłego wzmocnienia, średnia granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i moduł sprężystości zwiększyły się odpowiednio o współczynniki 20X, 15X i 240X. Porównując wyniki dla próbek o wzmocnieniu ciągłym o 90 ° do próbek 0⁰, odnotowano 60% spadek granicy plastyczności, 62% spadek wytrzymałości na rozciąganie i 52% spadek modułu sprężystości. Wyniki te wskazują, że wydajność mechaniczna jest znacznie zmniejszona, gdy obciążenie jest przykładane prostopadle do orientacji włókien. Przyczepność między sąsiednimi warstwami badano za pomocą drukowanych próbek stojących pionowo na łóżku drukującym. Te okazy miały najniższą wytrzymałość wszystkich okazów. Autorzy zalecają kontynuowanie testów przy użyciu prostokątnych próbek ze spajanymi zakładkami według ASTM D3039-17 w celu zmniejszenia problemów z wyrównaniem włókien, które napotkano w przypadku próbek kości psa. "

Ponieważ większość drukowanych części 3D jest zbudowana od spodu w górę, nie jest niczym niezwykłym, że właściwości materiału poza płaszczyzną są słabsze niż w płaszczyźnie. W przypadku drukowania w płaszczyźnie ciągłych włókien ukończone części mogą mieć zwiększoną sztywność i wytrzymałość w płaszczyźnie, ale naukowcy nie mają jasnego pojęcia, w jaki sposób ciągłe wzmocnienie włóknami wpływa na anizotropię mechaniczną części wytworzonej w ten sposób.

"Aby inżynierowie projektujący wykorzystali ciągłe, wzmocnione włóknami części AM w zastosowaniach strukturalnych, będą wymagać właściwości mechanicznych tych materiałów w trzech wymiarach", wyjaśniają naukowcy.

Naukowcy wykorzystali nylonowy termoplastyczny Onyx firmy Markforged w swoim badaniu, wraz z ciągłym kablem z włókien węglowych pokrytym materiałem wiążącym, oraz druk 3D w kilku próbkach w celu lepszego zrozumienia wpływu, jaki będzie miało ciągłe zbrojenie z włókna węglowego :

• Grupa 1: Onyks (w płaszczyźnie, nylon / tworzywo węglowe): ID # 1-1, 1-2, 1-3• Grupa 2: włókna 0⁰ (w płaszczyźnie, wyrównane włókna węglowe): ID nr 2-1, 2-2, 2-3• Grupa 3: włókna 90⁰ (w płaszczyźnie, prostopadłe do włókien węglowych): ID nr 3-1, 3-2, 3-3• Grupa 4: kierunek z (poza płaszczyzną, prostopadle do włókien węglowych): ID nr 4-1, 4-2, 4-3

Aby ułatwić analizę, zespół przetestował próbki tylko jednokierunkowo orientacje włókien. Czyste próbki Onyx w pierwszej grupie miały grubość 1,8 mm i były używane jako linia bazowa, podczas gdy próbki 0 ° z grupy 2 zawierały dwie warstwy Onyx 0,125 mm na dachu i podłodze, wraz z dwiema warstwami Onyx na ścianach bocznych; reszta była wypełniona włóknem węglowym, które były "zorientowane wzdłużnie w kierunku ciągnięcia dla testu rozciągania".

"Dodatkowe próbki 3-1, 3-2 i 3-3 zostały wydrukowane z orientacją włókien prostopadle do kierunku rozciągania. Te próbki miały taką samą grubość Onyx na dachu, podłodze i ścianach, co poprzedni zestaw okazów "- wyjaśniają badacze. "Warto zauważyć, że dla tych próbek, ponieważ włókna były zorientowane prostopadle do kierunku rozciągania, głowica drukująca musi obracać narożniki w obrębie sekcji miernika, a zatem orientacja włókien w sekcji miernika nie była idealnie jednokierunkowa."

Próbki z grupy 4 były drukowane w 3D w pionie i były testowane pod kątem oceny przyczepności między warstwami wzmocnionymi włóknami. Następnie naukowcy przeprowadzili analizę termograwimetryczną (TGA) i analizę w podczerwieni z transformatą Fouriera (FTIR) na próbkach Onyx w celu lepszego poznania właściwości termicznych materiału; Próbę rozciągania przeprowadzono również aż do całkowitego uszkodzenia próbki.

"Porównując próbki 0⁰ wzmocnione włóknami węglowymi z czystymi próbkami onyksu, właściwości mechaniczne zwiększyły się o rząd wielkości" - wyjaśniają naukowcy. "Na przykład średnia granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i moduł sprężystości zwiększyły się odpowiednio o współczynniki 20X, 15X i 240X. Porównując wydajność mechaniczną próbek wzmocnionych włóknami z materiałem Onyx, znaczna poprawa właściwości mechanicznych jest zgodna z tradycyjnymi laminatami kompozytowymi, w których próbki jednokierunkowe mają wytrzymałość i sztywność o rząd wielkości wyższą niż homogeniczny materiał matrycy epoksydowej. Porównując wyniki dla próbek 90⁰ z próbkami 0⁰, odnotowano 60% spadek granicy plastyczności, 62% spadek wytrzymałości na rozciąganie i 52% spadek modułu sprężystości. Wyniki te wskazują, że wydajność mechaniczna jest znacznie zmniejszona, gdy obciążenie jest przykładane prostopadle do orientacji włókien. Jednak względny spadek wWydajność mechaniczna nie była tak znacząca jak to, co obserwuje się w przypadku wielu tradycyjnych jednokierunkowych kompozytów testowanych w orientacji 90 °. Przyczepność między sąsiednimi warstwami badano za pomocą drukowanych próbek stojących pionowo na łóżku drukującym. Te próbki miały najniższą wytrzymałość wszystkich próbek. "

Naukowcy ustalili, że materiały użyte w tym badaniu mają wysoki stopień anizotropii mechanicznej i że inne muszą rozważyć anizotropowe właściwości mechaniczne 3D, gdy są one stosowane w aplikacjach strukturalnych

Ponadto zespół ustalił również, że tradycyjne pręty o kształcie kości w kształcie kości, które wykorzystano do badania, nie były najlepszym wyborem dla próbek wyprodukowanych przy użyciu CFF, głównie z powodu "unikalnego włókna proces rozmieszczania i lokalne zmiany kąta włókien wokół zakrzywionych promieni "i zaleca się, aby inni naukowcy stosowali prostokątne próbki ze spajanymi zakładkami, zgodnie ze standardową metodą testową ASTM D3039-17 dla właściwości wytrzymałościowych kompozytów z matrycą polimerową.