摘要： 目前連續纖維增強樹脂的復合材料在FDM 3D打印技術上的應用發展迅速，但連續纖維材料層和樹脂基礎材料層兩種不同材料的打印層間連接界面的孔隙率大導致打印件整體性能低。針對連續纖維與樹脂基礎材料由于不同材料差異導致層間黏結差的問題，筆者提出通過在3D打印機噴頭上附加輥壓輔助裝置對打印層面逐一進行機械壓實的方法來進一步提高連續纖維增強熱塑性聚合物基高性能復合材料打印件的性能。采用正交實驗法對比了試驗剛性輥壓輪作用于打印件成形表面時的不同輥壓速度和相較于打印層面不同下壓高度等參數的影響。為提高輥壓實驗的正確性，首先針對輥壓速度和下壓高度選定了9組不同參數的輥壓過程進行仿真，通過數值模擬得出輥壓裝置最佳下壓高度為0.03 mm，輥壓速度4 mm/s。然后開發了相應的硬件和軟件，包括雙噴頭與輥壓裝置的連接機構、輥壓軌跡規劃與控制算法等，最后通過實際打印模型樣件測試驗證了連續纖維增強復合材料3D打印零件通過實時輥壓來提升性能方法的可行性。
關鍵詞： 連續纖維；輥壓；3D打印；數值模擬；結構設計
纖維增強復合材料因具有高比強度、高比模量及可設計強等優勢，已被廣泛應用于航空航天、汽車、軌道交通和風力發電等領域[4]。碳纖維對熱塑性材料的增強作用通常采用兩種方式：與短碳纖維進行結合、與連續碳纖維結合[2]。短碳纖維對熱塑性材料的影響取決于纖維的取向、分散和間隙[5]。熱塑性材料中纖維的橋接和拉伸可以提高PLA，ABS和聚乙烯醇等復合材料的強度[6]。短碳纖維增強樹脂的界面相互作用和轉變期的溫度與碳纖維含量有關[7]。Ashori等[8]研究了日本東麗高級碳纖維材料(SCF)和聚偏氟乙烯(xGnPs)增強的聚丙烯(PP)的力學性能的改善。xGnPs可以進一步提高SCF-PP復合材料的強度[2]。研究發現碳纖維增強復合塑料(SCFRP)打印的部件其性質略好于純熱塑性塑料，由于短碳纖維的存在，可以觀測到明顯的孔隙率和較差的黏合[9]。隨著纖維長度從80 μm開始持續增加，短碳纖維的變形減小，短碳纖維和聚四氟乙烯之間的間隙逐漸增加[10]。因此，通過FDM打印技術實現更好打印件性能的理想解決方案是使用連續碳纖維增強復合材料[11]。
國內外研究人員就連續碳纖維增強復合材料做出大量研究，Markforged公司的研究人員將連續碳纖維加入尼龍基體中，成形得到了直徑0.3 mm、纖維體積分數約為30%的復合材料絲材[12]。機械科學研究總院研制出了連續碳纖維、芳綸纖維增強聚乳酸、尼龍等基體的復合材料絲材，絲材直徑在(0.3±0.05)～(1.2±0.05) mm范圍內可調[13]。在成形設備方面,美國Markfoged公司開發出了Mark Two設備，硅谷的Arevo Labs公司開發了以機器人為基礎的碳纖維工業級3D打印機,Envision Tec公司推出了SLCOM1打印機。Matsuzaki等[14]改裝了Hotproceed公司生產的Blade-1打印機，成形得到的連續纖維增強熱塑性樹脂的拉伸彈性模量和強度分別為19.5 GPa和185 MPa，是純PLA樣品對應力學參數的599%和435%。西安斐帛公司研發了桌面型的連續纖維復合材料打印設備COMBOT-1，成形尺寸為250 mm × 170 mm× 120 mm，打印速度為100～200 mm/min[13]。
在成形工藝研究方面，Klift等[15]通過改變打印層數來控制成形件中的纖維含量，試驗對比了打印2層碳纖維和6層碳纖維的力學性能。Justo等[16]探究了水平鋪放和交叉鋪放兩種成形策略對成形件拉伸強度和壓縮強度的影響，當纖維體積分數為40%時，尼龍基復合材料成形件的拉伸強度可達701 MPa。Caminero等[17]研究了層厚、成形方向和纖維體積分數三個變量下碳纖維增強尼龍樣件的沖擊性能,當纖維體積分數過低時，材料中缺陷(空隙)較多，從而導致沖擊性能較弱。Tian等[18-19]在210 ℃下成形碳纖維增強PLA復合材料,試樣的拉伸強度可達純樹脂拉伸強度的3倍左右，但界面結合性能較差；還分析了成形速度、層厚、成形寬度等參數對成形件彎曲性能的影響。Li等[20]采用上漿工藝來提高纖維和樹脂之間的界面強度，與原碳纖維增強樣品相比，拉伸強度和彎曲強度分別提高了13.8%和16.4%。
目前采用FDM 3D打印的連續纖維增強復合材料的孔隙率較高，達到10%以上。而真空樹脂傳遞模塑成型、熱壓罐、模壓等傳統工藝成型的連續纖維增強復合材料的孔隙率僅為0.02%～1%[21]。這是由于3D打印時較低的成型壓力和快速冷卻導致的溫度差，使相鄰打印線材和打印層間會形成孔隙和低的黏接強度[22]。對于工藝的優化，已經提出很多不同方案來改善FDM打印中的層間間隙。比較常見的工藝優化通常是通過激光[23]、微波[24-25]、紅外輻射[26-27]或熱空氣[28]等對沉積的長絲材進行局部再加熱，以促進長絲間擴散。但是，以上幾種工藝一般需要復雜并且昂貴的設備，成本相對較高。另外，上述工藝方案主要針對絲材前期處理與打印完結后進行后處理，而未提及相鄰表面接觸和打印層面形成的初始階段，而根據Coogan等[29]創建的壓力驅動流動模型，可以得出結論，缺乏層間接觸是力學性能較低的主要原因。
筆者提出了一種工藝優化完善的方案。通過對連續纖維增強復合材料FDM 3D打印雙噴頭上配置可升降的輥壓機構來減小層間間隙，其工作流程為：在復合材料噴頭打印完結整個層面，輥壓機構下降到相應高度剛性輥輪進行全方面輥壓，工作完結后抬升，連續纖維噴頭進行連續纖維鋪設，而后輥壓機構再一次進行全方位輥壓，以此保證打印過程中所有階段均進行壓實。目前，Andreu等[30]在FDM打印混合材料設備中加入熱輥輪，其通過電機保持器、行星齒輪箱、加熱輥控制滾輪進行壓實，而高度和溫度控制困難導致再次融絲破壞表面且滾壓面小。Zhang等[2]在FDM打印單噴頭上配置旋轉滾壓輪，其旋轉軌跡控制相對復雜容易對輥壓表面造成破壞，打印結果顯示，打印面相對粗糙且輥壓主要依靠一個小鋼球工作時與打印面接觸非常小只能夠進行局部輥壓。而筆者提出的剛性輥壓輪通過電推桿實現升降且打印噴頭為雙噴頭，輥輪面積大且輥壓軌跡簡單易控制，保證了打印面相對光潔平整，為輥壓輪全方位輥壓提供了條件，對輥壓輪高度與速度進行了研究分析。
1、雙噴頭結構模型建立
通過三維制圖軟件針對FDM連續纖維增強復合材料雙噴頭結構以及輥壓機構進行三維建模。如圖1a為FDM3D打印雙噴頭輥壓結構模型，主要包括打印連續纖維、復合材料兩套完整的打印噴頭以及輥壓模塊。其中連續纖維噴頭組件設計結構如下：纖維打印頭組件設計由水冷系統、切斷機構、散熱機構、加熱頭和輥壓裝置，送絲方式采用遠程齒輪送絲，由于連續纖維直徑僅為0.4 mm，所以使用橡膠表面齒輪以便能更準確送絲且減少對纖維絲表面破壞。
圖1 雙噴頭結構模型圖
其工作原理如圖1b所示，剛性輥壓輪通過電推桿與導軌配合實現升降，復合材料噴頭通過絲杠電機與導軌配合可實現升降，打印件底層可先打印復合材料，結束后復合材料噴頭通過升降電機抬升一定高度，輥壓輪下降到適宜高度對打印層進行輥壓，輥壓工作完成后抬升，進而通過調整Z軸高度進行連續纖維鋪設，將連續纖維打印到所需位置，當需要跳轉打印時，切斷機構將連續纖維進行切斷之后可再進行輥壓壓實，其中輥壓的下降高度、速度和每一打印面輥壓次數均可控制調整。
2、輥壓力場數值模擬分析
討論輥壓輪輥壓工作時相對于打印面下壓的高度以及滾動速度對打印件的性能影響。輥輪工作面高度(即低于打印面的距離)參數設定為0.01，0.02，0.03 mm；輥壓輪滾動的速度(即每秒輥輪滾壓打印面的長度)參數設定為4，6，12 mm/s；通過控制變量法對參數進行設置得到表1的輥壓參數表。
表1 輥壓參數表
利用ANSYS軟件的Static structure模塊進行數值模擬仿真。設置輥壓輪材料為結構鋼，打印件材料為PLA (自定義其屬性密度為1 250 kg/m3，拉伸彈性模量為3 GPa，泊松比為0.4)，為便于計算仿真模型中打印件設置為三層且層厚為0.2 mm，總體尺寸為10 mm×2 mm×0.6 mm；輥輪外直徑為2 mm，長度為4 mm；根據表1中的參數表進行邊界條件設置進而得到在不同輥壓輪下壓高度和不同輥壓速度時的等效應變量見表2。
表2 不同高度不同速度應變量表
根據表2可以得到結論，剛性輥壓輪在下壓0.01 mm時對打印件表面影響很小；輥輪下壓高度達到0.03 mm時，對打印件表面的等效應力比較明顯，對增強打印層間距有很大的作用，而在進行下壓參數測試時嘗試使用較大下壓高度結果造成打印面嚴重變形扭曲，這種情況下在實際打印時也會對打印面造成破壞導致打印失敗；而在不同的滾壓速度下對打印面的影響也有所差異，相同下壓高度的情況下，滾壓速度越慢對打印面的等效應力影響越大。所以應該針對不同的材料摸索恰當的工藝參數這樣才能使通過機械加壓增強層間致密效果更佳。
3、 輥壓軌跡規劃與控制算法
3.1 輥壓增強連續纖維路徑
筆者設計的輥輪采用寬幅度結構剛性材料，不易變形，其工作方式針對不同屬性的復合材料可調整不同的下壓幅度，為打印面提供不同的輥壓強度，使其增強層間致密效果最佳。本研究中剛性輥壓輪在工作中對打印件表面的輥壓路徑方式如圖2所示，寬幅度剛性輥壓輪下壓到適宜的高度沿Y軸方向滾壓，第一道滾壓結束后抬升一定距離沿X軸平移到下一滾壓道后再下降到適宜滾壓高度進行壓實工作，來回往復形成“Z”型滾壓軌跡，其中也可設置參數在同一滾壓道沿Y軸往復滾壓，并且換到下一滾壓道時沿X軸移動的距離也可調節形成層疊滾壓。
圖2 輥壓輪輥壓路徑示意圖
3.2 輥壓增強連續纖維填充控制算法
實時全幅面輥壓增強連續纖維層面性能的算法流程如下：
第一步：根據當前加工的高度計算出當前層切片輪廓C；
第二步：讀取是否進行輥壓的參數IsROLL，如果是TRUE，則提前計算出輪廓矩形包圍框RECT(C)；
第三步：判斷當前切片輪廓中是否包含有支撐輪廓或支撐環數據，如果是TRUE，則從切片輪廓中分離出支撐輪廓環，根據支撐輪廓環計算環形支撐路徑，并設置支撐路徑的速度、加減速等屬性便于控制系統調整運動參數；
第四步：繼續在當前切片輪廓分離出實體輪廓環，讀取是否填充纖維絲材參數IsCCF，如果是TRUE，則根據收縮參數對輪廓進行等間距收縮，預留出過渡區以填充上下表面的PLA路徑。然后在內部根據線間距計算格柵式纖維路徑，并將格柵路徑的拐角進行圓弧過渡，便于纖維拐角鋪送順暢。再在過渡區進行隨形路徑填充，生成PLA打印路徑，與輪廓環方向一致，以提高打印的輪廓精度。
第五步：若不生成連續纖維路徑，則直接在填充區內部計算格柵式路徑，在過渡區生成隨形路徑，兩種路徑都設定為PLA路徑，然后根據參數設定路徑速度、加減速等特性。
第六步：將所有切片數據、層厚數據以及上述計算的路徑數據輸出為GCode文件，并根據路徑屬性設置每段GCode運行段的速度，便于控制器實時控制路徑速度。
切片路徑流程圖如圖3所示。
圖3 每層切片四種路徑計算流程圖
在計算連續纖維路徑過程中可以根據零件性能的需求設定為間隔一層或間隔N層的方法進行填充，沒有必要每層均填充連續纖維絲材。間隔層中以PLA來填充，以增強連續纖維填充層之間的黏接強度提高致密度。由于連續纖維流動性和線徑的差異，連續纖維路徑和切片輪廓之間設計了一個過渡區，過渡區以聚合物絲材填充，將連續纖維的路徑包裹在內部填充區，同時邊框也以聚合物填充，以提高切片外輪廓精度(如圖4中③號圖)。另外在生成格柵式路徑時，筆者利用設計的寬壓輥在路徑上通過連續性地沿Y軸往復運動來實現平行線填充，實現實時全幅面層面填充(如圖4中④號圖)，在宏觀上提高輥壓平面表面精度，避免了輥壓機構自身對纖維層面的影響。
圖4 連續纖維路徑和輥壓路徑實際填充圖
4、 設備與實驗
4.1 連續纖維復材雙噴頭打印設備
打印平臺的構建主要由結構框架、控制器、計算機組成。計算機發出控制指令，控制器接收指令后由結構組件執行指令。圖5為連續纖維增強復材3D打印機實物圖。圖5a為雙噴頭組件中執行復材噴頭升降、纖維剪切、滾壓、輥壓輪升降功能的關鍵部件；圖5b為連續纖維復合材料雙噴頭實物圖，包含復合材料噴頭模塊、連續纖維噴頭模塊并具備纖維剪切機構、剛性輥壓模塊；圖5c為兩種不同絲材的送絲機構，均使用齒輪送絲方式，其復合材料使用直徑為1.75 mm的PLA絲材，纖維材料使用直徑為0.4 mm，外部由尼龍材料包裹的連續碳纖維絲材；圖5d為行程為10 mm的電推桿，用來控制剛性輥壓輪升降，可實現在非工作時間抬升防止破壞非滾壓區域。
圖5 連續纖維增強復材3D打印機實物圖
4.2 打印工藝參數
本試驗涉及雙噴頭的聯動打印、連續纖維的剪切控制、輥壓機構的控制，而目前常用的切片軟件例如Cura，Simplify等無法滿足本實驗中的切片要求，因此使用本課題組自主開發的切片軟件進行切片，便于對所需要的功能工藝參數調試。試驗中使用的樹脂基礎材料為易生(eSUN PLA-ST絲材直徑1.75 mm、整卷絲材1 kg、深圳光華偉業股份有限公司生產)，連續纖維增強材料為CARBON FIBER (FFG-005 150cc、美國Markforged Holding Corporation生產)，連續纖維絲材由尼龍外包裹大量纖維束為一種復合材料，絲材外徑為0.4 mm。
整體打印過程工藝參數包括樹脂基礎材料打印、連續纖維打印和輥壓三個部分。由表3可見，選用PLA-ST絲材作為基礎絲材，打印溫度為200 ℃，打印路徑間距為0.3 mm，層間角度為45°，打印換層絲材回抽長度為3 mm，減少非打印段多余漏料破壞打印面光滑，進而繼續打印時絲材回填增量長度為1 mm來保證出絲正常，避免出現缺料產生間隙，打印使用直徑為0.4 mm噴嘴，為保證打印件尺寸設置絲材半徑補償為0.2 mm，噴頭路徑速度為20 mm/s，打印流量設置為5%，可保證送絲電機送料量和噴嘴出料量基本一致避免噴頭堵塞。
表3 PLA絲材工藝參數表
打印連續纖維工藝參數與打印PLA材料有很大差別，其中送絲速度和噴嘴移動速度一致來保證進料長度和出料長度一致，避免出現送絲量大于或者小于噴嘴出料量導致堵料和缺料現象，所以纖維打印流量應為100%。由表4可知，打印溫度為220 ℃，以保證包裹的尼龍材料充分熔融，噴嘴直徑為1 mm，打印速度為5 mm/s，絲材路徑間距2 mm；傾斜出絲長度為3 mm，傾斜高度為10 mm，即在每次打印纖維材料時定位到預定位置后抬升至側上方下降打印同時出絲3 mm來保證打印起點纖維絲材能夠正常鋪設。纖維層間角度為45°，其填充方式為層疊式填充，填充密度為隔一層填充(即打印一層PLA后打印一層纖維)，打印層厚均為0.2 mm。
表4 連續纖維絲材工藝參數
輥壓過程工藝參數設定不同對打印表面滾壓效果有很大影響。由表5可知，設置輥壓輪下壓幅度(即低于打印表面)高度為0.03 mm，輥壓速度為5 mm/s，速度較慢時滾壓效果更佳。但是應綜合輥壓效率對速度進行設定，輥壓路徑間距(即第一道輥壓結束后平移距離)為5 mm，路徑間距小于輥壓輪寬度可以進行層疊輥壓，同樣也需要考慮輥壓效率。
表5 輥壓工藝參數
4.3 樣件打印試驗
通過三維軟件設計兩個三維模型以驗證上述基于輥壓工藝對連續纖維復合材料性能的影響。使用三維軟件建模后導入切片軟件，根據上述打印工藝參數進行切片處理生成GCode文件導入上位機，計算機通過網線與打印機運動控制器連接，進而使用改進后的設備進行雙噴頭與輥壓機構聯動實際打印試驗，如圖6所示，實驗中復合材料使用直徑1.75 mm的PLA絲材，連續纖維使用尼龍預浸漬直徑為0.4 mm的連續碳纖維絲材。
圖6 雙噴頭與輥壓機構聯動打印過程
通過打印設備完成兩個模型的打印工作。在連續纖維工藝參數設置中有所區別一種為隔一層填充格柵式打印路徑，另一種為隔一層填充等間距螺旋打印路徑。輥壓工藝的設置為每一層均全面滾壓。如圖7所示，根據兩個模型的形貌觀測，連續纖維絲材在不同的打印路徑上包括直線、圓弧鋪設效果良好，通過輥壓機構對每一層打印面的滾壓壓實，可以明顯看出打印件的表面光潔平整，外形宏觀尺寸也相對精準。最后對兩個打印模型進行金相樣品制備結合顯微鏡成像并通過像素計算的方式粗略得出兩個打印件的孔隙率5%，相比于打印過程中不進行輥壓的工作情況下，10%以上孔隙率有了明顯的減小，驗證了在打印過程中添加輥壓工作來改善層間結合的方法的可行性。
圖7 打印件形貌圖
5、 結論
FDM 3D打印技術是一種成本低且常被使用的增材制造技術，對于連續纖維增強復合材料的打印方法已經有了很多研究并做了大量實際打印操作，而較大的層間間隙率大幅度降低了打印件的強度，無法滿足預期的強度水平，所以筆者提出通過在打印噴頭上附加輥壓輪來改善層間黏結差的問題，通過實驗平臺的搭建進行了兩個樣件的打印，總結如下：
(1)試驗結果顯示，在打印過程中通過機械物理的方法給予適當的壓力可以大幅度減小層間間隙，增強層間的結合性能，而過大的壓力可能會破壞表面甚至導致打印成型失敗。
(2)傳統方法通過熱壓罐工藝來提高零件的強度，在設計和操作上都相對復雜耗時耗力，而通過在硬件結構上配置剛性輥壓輪進行機械加壓的方法增強連續纖維復合材料打印件的強度對這項工作有很大的參考價值。
(3)在此項工作的基礎上，嘗試給予輥壓輪一定的溫度，在輥壓的過程中會先減小已經固化的打印表面產生的應力，當然應探索適宜的熱輥壓輪溫度，以防過高溫度對打印表面造成破壞。
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來源：期刊《工程塑料應用》 作者：胡珍濤1，錢波1，2，張珂4，熊婷1，茅健1，2，劉鋼1，2，3
(1.上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201600；2.機械工業航空大型復雜薄壁構件智能制造技術重點實驗室，上海 201600；3.上海交通大學四川研究院，成都 610213；4.上汽大眾汽車有限公司，上海 201805)
