增材制造（AM）是一種逐層制造3D部件直至最終產品完成的工藝。該技術主要用于航空、汽車、醫療植入物和紡織等領域的工程應用。如今，由于生產過程簡單、成品精度高、材料浪費少、選材范圍廣和經濟因素，大多數復合材料零件都采用AM技術制造。在復合材料生產過程中，增強材料的含量在定義復合材料結構的強度、剛度和其他性能方面起著重要作用。本研究中，使用熔融沉積建模（FDM）制造了多孔連續碳纖維增強聚合物復合材料（CCFRPC）結構。多孔CCFRPC結構通過兩種類型的填充模式（網格和三角形）以三種不同的填充密度水平（20%、40%和60%）進行增材制造。制造過程完成后，使用溶解法計算和估算復合材料中連續碳纖維（CCF）的含量。為了確定多孔結構中的碳纖維含量，采用了溶解ASTM D 3171標準程序。結果顯示，與網格填充模式相比，三角形填充模式含有更多的增強材料（CCF）。此外，當試樣的填充密度增加時，結構中的增強材料含量也更高。

1.簡介

增材制造（AM）是一種快速增長的非傳統制造技術，廣泛應用于各種工程應用中，并被用于汽車、生物醫學、紡織、建筑、航空航天和電子等領域。根據ISO/ASTM 5200（2017）（增材制造——通用原則術語），熔融沉積建模（FDM）被分類為基于材料擠壓的過程之一。

它最常用于使用熱塑性材料、含有短纖維的復合材料以及連續碳纖維（CCF）來生產3D物品。連續碳纖維（CCF）增強聚合物復合材料（CCFRPCs）在工程應用中具有重要的意義，因為它們輕質且強度高和剛度高。

增強材料無論是連續的還是不連續的，其含量在制造復合材料和定義其機械和材料性能方面都扮演著重要角色。結果表明，在達到特定的增強材料含量時，熱塑性材料中的碳纖維含量顯示出高水平的強度，之后強度水平會下降。通過結合多孔結構，可以制造出輕量化的復合材料部件，從而減少密度、質量、材料利用率、材料浪費和打印時間。大多數多孔結構是使用純熱塑性材料制造的，并用于像支架組織生成這種生物醫學應用。填充模式和密度對多孔結構的生產和增強材料含量有重大影響。

許多研究人員已經利用FDM技術制造了CCFRPC結構，并研究了它們的機械性能。例如，含有6.6%增強材料的CCFRPC顯示出185.2 MPa的拉伸強度。其他結果顯示，含有18.2% CCF含量的CCFRPC強度水平更好，達到245.4 MPa。但是，所有上述復合部件都是用含有碳纖維的單向層狀的，以實心和完全致密的結構制造的，而且此前并沒有對于多孔CCFRPC結構的研究。通過印樣品的層數和線條數及其橫截面積可以得出樣品的工具路徑的長度，以此可以估算出大概的具有實心結構的單向復合材料中的CCF增強材料含量。但是，考慮到多孔結構時，在復合材料部件中的CCF含量難以估算，因為殼體內大部分結構采用不同的填充模式打印，并且存在空隙，不像單向樣品那樣緊密。因此，需要一種替代的方法或技術來估算多孔結構中的增強材料含量。

在本研究中，使用FDM技術制造了多孔CCFRPC結構。采用兩種填充模式（即網格和三角形填充模式）在三個不同填充密度級別（20%、40% 和 60%）下制造了多孔CCFRPC試驗樣品。并在制造過程后對復合材料試樣進行了觀察和分析。隨后，為了估算試樣中的CCF含量，根據ASTM D 3171標準程序使用了溶解法以確定碳纖維含量。

2.1材料

在這項研究中，作為基質材料，使用了商業上可獲得的，直徑為1.75毫米的PolyLite PLA熱塑性塑料（聚合物制造商）打印絲材。對于增強材料，則使用了每束包含3000根纖維的CCF紗線T300B-3000（法國東麗公司）。在制造和打印復合材料樣品之前，標準的CCF紗線被浸泡在10wt%的PLA和二氯甲烷（CH2Cl2）溶液中，以獲得更好的粘附性、機械性能、打印質量和打印過程的穩定性。

2.2CCFRPC樣品的制造和打印過程

在樣品設計中，首先制作了CAD模型幾何結構。然后，將其作為STL文件導入到Simplify 3D打印軟件中，以便進一步打印復合材料樣品。基于簡單且易于安裝的優點，選擇MeCreator 2（Geeetech）FDM 3D打印機來制造多孔復合材料樣品。對FDM 3D打印機的擠出頭進行了改裝，以便使用CCF進行打印。實驗設計了兩個進料通道，一個是用于基質材料的，也是熱塑性絲材進料通道，另一個是用于增強材料的，也是浸漬CCF紗線插入通道，還有一個出料噴嘴。基質材料的絲材在打印頭內熔化，并與CCF紗線融合在一起形成粘結，并從打印噴嘴擠出形成CCFRPC。

在實驗中，考慮了兩種不同的填充模式，即網格和三角形，在三種不同的填充密度（20%、40%和60%）水平下進行打印。用網格和三角形填充模式的多孔復合材料部件，采用被樣品填充模式覆蓋的一個外周殼體和兩層頂部及底部單向0°層所制造的。對于網格填充模式，選擇了45°–45°的內部填充角度偏移。而在三角形填充模式的情況下，填充以60°–60°的角度偏移進行打印。其他打印參數見表1。擠出寬度和層高度是直接影響復合材料結構機械參數的參數，此外這些參數也影響碳纖維含量。

2.3復合材料樣品的溶解過程

為了估計和計算多孔CCFRPC部件的碳纖維含量，遵循了ASTM D 3171“復合材料成分含量的標準測試方法”程序。采用方法I來計算增強材料的含量，即通過在溶液中對復合材料試樣的基體進行物理溶解，留下基本上未受影響的增強材料，以計算基體或纖維含量。根據標準，每組測試三個樣品以確定復合部件中增強材料的含量。圖1展示了碳纖維含量測量的程序。

在制造尺寸為120 × 12 × 3 mm的復合試樣后，將試樣放入燒杯中并用二氯甲烷溶液覆蓋，使樣品完全浸沒在液體中。每48小時更換一次溶液，直到熱塑性基體完全溶解，然后檢查并使用蒸餾水沖洗，接著放入真空烘箱中直至增強纖維完全干燥。最后，稱量未受影響的增強材料，并使用以下公式計算增強材料的含量：

Wr = 增強材料的重量百分比， Mi = 試樣的初始質量（克）， Mf = 消化或燃燒后試樣的最終質量（克）。

3.結果和討論

3.1對打印的多孔復合材料樣品的觀察

通過顯微鏡檢查了CCFRPC多孔結構的內部模式，如圖2所示。從觀察結果來看，三角形填充樣本在水平同向有三個節點連通，而網格填充結構樣本在水平異向有四個節點連通。與三角形填充模式相比，網格填充結構在每個填充密度等級上都顯示出更緊湊和密集的結構，因為它在周邊殼內占據了更多的空間，因此消耗了更多的質量。填充模式在定義增強材料含量和機械性能方面起著重要作用。

用網格模式CCFRPC結構填充的顯微照片，分別用a)20%,b)40%,c)60%的填充密度水平打印的一個外殼周長。CCFRPC 表示連續碳纖維增強聚合物復合材料。

打印時間對填充模式和密度水平有影響（圖3）。與網格填充模式相比，三角形填充模式在打印復合材料部件時消耗的時間更多。當比較打印時間時，使用40%和60%填充密度的網格模式與使用20%和40%填充密度的三角形模式所花費的時間相同。這樣的打印時間的差異是由于填充結構增加了內部的殼體周長。結構的復雜性也影響了打印的時間。

3.2碳纖維在復合材料結構中的含量

在復合材料結構制造中，使用兩種填充模式（網格和三角形），在三種不同的填充密度（20%、40% 和 60%）下進行打印的增強材料含量，時通過溶解法進行估算的。實驗結果表明，與網格填充模式相比，三角形填充模式在每種填充密度水平下都消耗了最多的增強材料含量。

從圖4所示的實驗結果中可以看出，隨著填充密度水平的增加，兩種填充模式的增強材料含量都略有增加。60%填充密度水平的三角形填充模式顯示出最高的纖維含量為31.11（wt%）。在三角形填充模式下，當填充密度水平從20%上升到40%時，增強材料含量增加了3%，而當填充密度水平從40%上升到60%時，增強材料含量增加了1%。

同樣地，在網格填充模式下，60%的填充水平顯示出最高的增強材料含量為27.75（wt%）。當填充密度水平從20%增加到40%時，碳纖維含量增加了1.1%，而當填充密度水平從40%增加到60%時，碳纖維含量增加了1.7%。通過比較這兩種類型的填充模式，三角形填充模式顯示出更多的碳纖維含量，即使其最低的密度水平也比網格填充模式的最高密度水平顯示出更多的增強材料含量。這種增強材料含量的差異是由于復合材料部件內部創建路徑的結構差異造成的。不同的填充模式也會影響機械性能。層分布和方向、打印工藝參數、填充模式以及殼體參數都會影響復合材料部件的機械性能和碳纖維含量。

4.結論

填充模式和結構會影響復合材料部件的增強材料含量和打印速度。對于各種填充密度來說，三角形填充模式相比網格填充模式顯示出更多的碳含量，盡管其復合材料結構量較低。同理，在制造樣品時，使用三角形填充模式打印時間更長。

這種對兩種屬性的影響是由復合材料部件內部復雜的填充結構模式造成的。盡管不同填充密度的增強材料含量沒有顯著差異，但在比較兩種填充模式時卻顯示出了含量上的差異。