3D打印连续碳纤维增强蜂窝夹层结构，确保纤维连续性和均匀性
导读：尽管3D打印技术为制造复杂形状提供了可能性，但在制造连续纤维增强的复合材料时，如何确保纤维的连续性和均匀性，以及避免在复杂结构中出现过多的缺陷，仍然是一个挑战。
连续纤维3D打印的蜂窝结构
蜂窝夹层结构具有轻质、高比强度、高比刚度和卓越的吸能特性，这些特点使其成为航空航天、汽车、轨道交通及相关行业中备受青睐的结构形式。该结构主要由两片面板和一个轻质蜂窝芯组成，面板承受弯曲和平面内载荷，而蜂窝芯则牢固地附着在面板上，承受横向剪切载荷。
传统的蜂窝夹层结构构建方法涉及面板和芯材的单独制造，随后通过粘合剂将它们粘合在一起。然而，这种方法复杂且受成型模具的限制，必须在高温高压环境下完成，导致生产过程复杂且成本高昂。因此，为实现蜂窝夹层结构的经济高效生产，创新的制造工艺显得尤为重要。
传统蜂窝夹层结构需单独制造面板和芯材并粘合在一起
熔融沉积成型（FFF）技术是当前最为普及的3D打印技术之一。其优势在于工艺简单、成本效益高、材料选择多样、材料利用率高，以及能够无需模具即可快速制造复杂形状部件的能力。这项技术有望突破传统制造方法的局限，实现复杂结构的高效、低成本生产。在3D结构制造中，热塑性材料丝材及其复合材料是主要材料。相较于短纤维增强复合材料和纯热塑性材料，连续碳纤维增强复合材料展现出卓越的强度和性能。因此，近年来连续碳纤维复合材料的3D打印技术备受关注，不仅体现在科学研究方面，在商业应用发面也已获得成功。这些努力极大地推动了纤维增强复合材料3D打印技术在工程领域的实际应用，展现了其广阔的发展前景。
Markforged 连续纤维3D打印增强工艺
但FFF技术3D打印连续纤维复合材料仍可能产生打印缺陷，如纤维束方向偏离树脂基体、在路径折角处纤维拔出、以及打印路径方向改变时（如180°转弯）形成的纯树脂基体区域。这些缺陷都可能对最终产品的机械性能产生不利影响，为了获得理想的力学性能，需要仔细考虑和优化打印参数以及结构设计。3D打印技术参考注意到，
大连理工大学付饶团队于日前在《Journal of Manufacturing Processes》发表了题为“Enhancing planar compression performance of 3D printed continuous carbon fiber reinforced honeycomb sandwich structures using interleaved core paths”的文章。
(a) 蜂窝夹层结构模型 和 (b) 蜂窝夹层结构的打印组件
为了增强蜂窝芯单元之间的3D打印质量，研究人员引入了一种新颖的打印路径设计策略，称为“芯交错对齐打印方法”，旨在改善芯单元内部的粘结效果。该策略考虑了使用连续纤维进行3D打印蜂窝结构时遇到的粘结不足和纤维沉积偏差等挑战。该设计涉及在芯单元之间对齐和偏移打印路径，以提升3D打印连续纤维复合蜂窝结构的结构完整性。研究人员同时采用了提出的和原始的路径规划策略来制造具有不同芯尺寸的蜂窝夹层结构。通过面内压缩试验和显微观察，对这些结构的机械性能和损伤模式进行了详细的研究和比较。此外，还进行了深入的分析和讨论，以了解蜂窝芯内的结构参数对夹层结构机械性能的影响。
(a) 对称蜂窝芯打印路径规划策略示意图；(b) 交错蜂窝芯打印路径规划策略示意图(c) 对称路径的接触状态：(d) 角部特征处的纤维错位；(e) 交错路径的接触状态
规划交错对齐打印路径的过程
蜂窝夹层结构的打印路径设计方案
对比不同形状的蜂窝芯结构发现，采用交错路径打印显著提升了芯体的成型质量。当蜂窝芯的边长为8.66毫米时，单元之间的有效粘结长度增加了约30%。即便是在增加蜂窝芯密度、减小芯体边长的情况下，单元之间依然能够保持良好的粘结质量。
与采用对称路径打印的蜂窝夹层结构相比，交错路径打印的结构在平面压缩性能上展现出显著提升。随着蜂窝芯尺寸的减小，这种性能提升更为显著，压缩强度从96%提升至167%，压缩模量范围从67.5%到116%，比强度则从125%增加到165%。
蜂窝芯的破坏模式表明，单元之间的粘结质量对夹层结构的力学性能有着重要影响。蜂窝芯单元间优异的粘结质量能够防止分层损伤扩展，确保结构稳定性，从而提升蜂窝夹层组件的机械性能。比强度的对比结果进一步证明，保持蜂窝结构的完整性和稳定性对于提升结构性能至关重要。
对称路径打印的蜂窝芯结构形态分析：(a) 蜂窝芯结构；(b) 芯单元之间的脱粘；(c) 线间孔隙；(d) 纤维拔出；(e) 加剧的纤维拔出
蜂窝芯的破坏形式：(a) 对称路径打印的蜂窝芯；(b) 芯单元之间脱粘的侧视图；(c) 交错路径打印的蜂窝芯；(d) 芯单元之间良好粘结质量的侧视图
总的来说，该研究为使用连续纤维增强热塑性复合材料进行高性能夹层结构的3D打印提供了宝贵的参考。研究结果表明，优化成型路径、改善芯体单元之间的粘结质量以及确保单元结构的稳定性，对于提升3D打印连续纤维增强复合材料的结构完整性至关重要。这些发现不仅加深了我们对复合材料3D打印工艺的理解，还为未来设计和制造更高性能、更可靠的夹层结构提供了重要的指导原则。
