基于同軸芳綸/聚乳酸長絲的連續纖維增強複合材料三維列印
前言：增材制造技術（Additive Manufacturing）使得生産複雜和大規模定制幾何結構成為可能，但往往以犧牲力學性能為代價，而這種損失可以通過制造複合材料零件來一定程度上減輕。熱塑性結構是通過材料擠出式增材制造方法制造的，通過內建連續纖維可以改善其斷裂韌性。
在目前使用的各種增材制造技術中，材料擠出（material extrusion）或熔融絲材成型（FFF）工藝由于成本低、材料多樣性和易于使用而取得了令人矚目的商業化成功。FFF裝置的主要目的是制造用于展示模型的原型。由于使用的聚合物的性質，這些零件存在嚴重的力學限制。随着FFF技術的進一步發展，基于聚醚酰亞胺或聚醚醚酮等材料生産的零件具有卓越的力學性能，但需要加熱的建構空間。
為了生産在海洋、航空航天或汽車等領域需求旺盛的高性能材料，零件需要由連續增強纖維構成。制造3D列印的連續纖維複合材料主要可以通過以下方法概括：噴嘴内纖維浸潤和矩陣和纖維的雙噴嘴擠出。在噴嘴内纖維浸潤中，幹纖維在擠出-列印過程中被純聚合物矩陣包覆。雖然通過這種技術已經成功制造了列印零件，但許多系統都需要機械切割裝置來切割纖維并允許列印頭自由移動。
在熱塑性基質中加入連續纖維（玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維或天然纖維）增強可以獲得卓越的力學性能。使用碳纖維和黃麻纖維體積分數為6%的連續增強聚乳酸（PLA）零件的制造，并報告了比純熱塑性材料更高的抗拉強度和模量。使用碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維對PLA、尼龍和丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）進行了類似的研究，也顯示出類似的效果。
在PLA上實作了34%連續碳纖維的體積分數，但報告的強度為91 MPa，這個數值低于在類似的10%纖維體積分數的複合材料系統中報告的數值。這種低的力學性能可能與PLA對纖維的不濕潤有關。在碳纖維ABS複合材料中也報告了類似的觀察結果。高度纖維-基體結合對于3D列印的複合材料具有比鋁更高的抗拉強度。研究了連續複合材料的列印參數，報告稱控制列印溫度、層厚和覆寫間距直接影響纖維體積分數和複合材料的力學性能。
最相關的是比較由連續凱夫拉或芳綸纖維在PLA基質中制造的複合零件。噴嘴内纖維浸潤似乎是生産這些零件最常用的方法。基于8.06%纖維體積分數的芳綸纖維和PLA複合材料，并報告了比未增強的PLA基質（34 MPa）大幅提高的抗拉強度（203 MPa）。在類似的基于體積分數為6.54%的凱夫拉纖維的PLA列印系統中，測量到了104.64 MPa的極限抗拉強度，這個數值顯著著高于未增強基質（37.41 MPa）的水準。
與廣泛研究的連續纖維3D列印方法（雙噴嘴或纖維噴嘴内浸潤）相比，首次建立了一種可以通過單個噴嘴列印的同軸式纖維線。由于其廣泛應用和易擷取性，選擇PLA作為增強纖維線的基體相。連續增強凱夫拉-PLA纖維線的制備，并在開源3D FFF列印機上進行了複合材料的制造。評估并比較了列印複合材料與未增強材料的靜态性能和動态性能。對3D列印複合材料進行了防彈測試，以表征凱夫拉和PLA基體的高速沖擊性能。
結論：通過添加制造技術收集了以下對于制造連續纖維增強複合材料的結論：使用開源FFF 3D列印機，可以通過單個噴嘴和同軸連續纖維/基體複合絲材制造複合零件。基于體積分數為20.53%的凱夫拉纖維的複合材料的極限拉伸強度是未增強對照樣品的兩倍以上。同軸複合絲材使得連續纖維增強的叉向和單向樣品可以進行3D列印用于彈道測試。高速沖擊測試顯示，與未增強對照樣品相比，連續纖維增強材料的穿孔能量顯著增加。
