連續(xù)纖維增強PEEK增材制造力學性能與成型質(zhì)量優(yōu)化

陳意偉，單忠德，楊旭靜，張麗嬌，李明高

(1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 2.機械科學研究總院先進成形技術(shù)與裝備國家重點實驗室，北京 100044； 3.南京航空航天大學，南京 210016； 4.中車工業(yè)研究院有限公司，北京 100070)

連續(xù)纖維增強樹脂基復合材料具有高比強度、高比模量、可設計性強等優(yōu)勢，廣泛應用于航空航天、軍工船舶、汽車電子等領(lǐng)域[1–2]。相比于熱固性樹脂基復合材料，熱塑性樹脂基復合材料具有韌性大、抗沖擊、損傷容限大和可回收等優(yōu)點，因此更加具有競爭優(yōu)勢[3–4]。傳統(tǒng)的熱塑性復合材料成型工藝如模壓成型、拉擠成型、纏繞成型等成型工藝復雜、模具依賴度高、成型周期長、制造成本高且無法實現(xiàn)復雜零部件一體化成型，嚴重制約了其應用范圍[5–7]。增材制造(又稱3D打印)技術(shù)是一種基于離散-堆積原理的三維實體自由成型制造新技術(shù)，可由三維模型數(shù)據(jù)驅(qū)動直接制造零部件，具有設計自由度高、材料利用率高、加工周期短，且可實現(xiàn)復雜零部件一體化成型等優(yōu)勢[8–11]。將增材制造技術(shù)應用于熱塑性復合材料的制備，可充分發(fā)揮復合材料的性能優(yōu)勢和3D打印的制造優(yōu)勢，可實現(xiàn)復合材料制件短周期、高性能、一體化制造，進一步拓展熱塑性復合材料的應用范圍[12–13]。

常用的連續(xù)纖維增材制造熱塑性樹脂包括聚乳酸(PLA)[14–15]、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)[16]、聚酰胺(PA)[17–18]等。隨著航空航天發(fā)展及對材料需求的不斷提高，高性能熱塑性樹脂聚醚醚酮(PEEK)逐漸成為研究熱點。采用PEEK作為基體材料，可使復合材料具有良好的韌性、耐腐蝕性和耐高溫性，在航空航天等高科技領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應用前景[19]。但由于PEEK分子鏈呈剛性且非極性，熔融態(tài)黏度高，且碳纖維的類石墨結(jié)構(gòu)使其表面呈現(xiàn)化學惰性，不易被樹脂浸潤和發(fā)生化學反應，與樹脂界面結(jié)合力較弱[20]。此外，基于層層堆積成型的復合材料，層間結(jié)合較弱，層間強度有限，成為限制其應用的主要技術(shù)瓶頸[21]。

截至目前，關(guān)于連續(xù)纖維增強PEEK復合材料的增材制造相關(guān)文獻報道較少。Luo等[22]實現(xiàn)了連續(xù)纖維增強PEEK復合材料的增材制造，并通過激光輔助預熱層間剪切強度達到了35 MPa，彎曲強度達到了480 MPa。為進一步改善界面結(jié)合，Luo等[23]揭示了多尺度弱界面結(jié)合機理，并采用了等離子-激光雙重界面優(yōu)化工藝，使得成型制件層間強度達到了39.05 MPa。但是，目前缺乏關(guān)于連續(xù)纖維增強PEEK復合材料增材制造的基礎(chǔ)工藝優(yōu)化研究的文獻報道。

筆者采用了多熱力場耦合作用下的連續(xù)纖維增材制造成型工藝，并基于正交實驗設計，探究了噴頭溫度、打印速度和分層厚度等工藝參數(shù)對連續(xù)纖維增強PEEK復合材料彎曲性能和成型精度的影響規(guī)律，通過主效應圖與方差分析確定不同工藝參數(shù)的影響程度，獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)，為連續(xù)纖維增強PEEK的增材制造及應用提供一定的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1．1 主要原材料

PEEK：ZYPEEK-310G，吉林省中研高分子材料股份有限公司；

碳纖維：T300-3K，日本東麗公司。

1．2 主要儀器及設備

激光共聚焦顯微鏡：KEYENCE VK-X250型，日本基恩士公司；

萬能材料試驗機：INSTRON5567型，美國英斯特朗公司；

預浸絲材成型設備、連續(xù)纖維增材制造設備：自制。

1．3 樣件制備

筆者采用了基于多熱力場耦合作用下的連續(xù)纖維增材制造成型工藝。圖1為熱力耦合作用下的預浸絲材成型工藝示意圖，圖2為熱力耦合作用下的連續(xù)纖維增材制造成型工藝示意圖。如圖1所示，熱塑性樹脂PEEK粒料經(jīng)雙螺桿加熱熔融擠出至彎曲流道浸漬模具，連續(xù)纖維在收卷輥的牽引作用下，經(jīng)過充滿熔融樹脂的彎曲流道。由于熔融樹脂的流動性和熔體壓力的作用，促使樹脂進入纖維束內(nèi)部，實現(xiàn)連續(xù)纖維的浸漬。在浸漬過程中，模具溫度決定了樹脂的黏度和流動性，而牽引速度嚴重影響著熔體壓力及浸漬時間。通過工藝參數(shù)優(yōu)化，選取模具溫度390℃，牽引速度7 mm/s的成型參數(shù)制備絲材。最終，絲材通過模口形成直徑一定的連續(xù)纖維增強PEEK預浸絲材。如圖2所示，成型后的預浸絲材經(jīng)打印噴頭的加熱熔融，并在打印噴頭的壓力作用下，按照特定的掃描路徑逐層打印，層層堆積成型打印制件。

圖2 連續(xù)纖維增材制造成型示意圖

1．4 正交實驗設計

為探究不同工藝參數(shù)對復合材料制件彎曲性能和成型精度的影響規(guī)律，將噴頭溫度(A)、打印速度(B)和層間厚度(C)三個工藝參數(shù)作為設計變量，并且設置一個空列作為實驗誤差用來衡量實驗的可靠性。實驗因素水平選取見表1，采用L9(34)正交實驗設計來探究工藝參數(shù)對實驗結(jié)果的影響，每組實驗重復3組。

表1 正交實驗因素水平表

1．5 精度表征與性能測試

基于開發(fā)的工藝和裝置，并依據(jù)標準ISO 14125:1998，打印制備了標準彎曲樣件。為表征工藝參數(shù)對成型精度的影響規(guī)律，掃描樣件表面獲得打印制件表面形貌和表面粗糙度；為評估不同工藝參數(shù)對彎曲性能的影響，基于力學測試平臺，開展打印制件彎曲性能測試，加載速率為5 mm/s，經(jīng)計算獲得不同參數(shù)下的彎曲強度和彎曲彈性模量。

2 結(jié)果與討論

2．1 成型精度分析

連續(xù)纖維增材制造是基于分層打印層層堆積成型原理，而在單層成型過程中，則是通過單道打印實現(xiàn)，因此打印道間的粘接質(zhì)量對成型性能和精度有著重要的影響。圖3為不同工藝參數(shù)組合下成型制件表面形貌圖。通過觀察圖3發(fā)現(xiàn)，打印道間存在不同尺寸的孔隙，這主要是由于增材制造過程中打印絲材與成型制件間的粘接質(zhì)量差導致的，進而影響成型質(zhì)量的表面粗糙度。通過進一步比較發(fā)現(xiàn)，工藝參數(shù)對道間粘接質(zhì)量有著重要影響。當分層厚度為0.4 mm (如圖3a、圖3f和圖3h所示)時，道間粘接質(zhì)量較好，孔隙尺寸較小，而當分層厚度為0.5 mm和0.6 mm時，道間粘接質(zhì)量較差，孔隙尺寸變大，即分層厚度的大小對道間粘接質(zhì)量和孔隙形成具有重要影響。

圖3 不同噴頭溫度、打印速度和層間厚度組合下的成型制件表面形貌圖

為進一步評估工藝參數(shù)對成型精度的影響，根據(jù)正交實驗設計方案統(tǒng)計了不同工藝參數(shù)下成型制件的表面粗糙度，結(jié)果見表2。由表2可以發(fā)現(xiàn)，當噴頭溫度為350℃、打印速度為6 mm/s、層間厚度為0.6 mm時，打印樣件表面粗糙度最大，為65.04 μm。而當噴頭溫度為390℃、打印速度為4 mm/s、層間厚度為0.4 mm時，打印樣件表面粗糙度最小，為25.41 μm。

表2 不同工藝參數(shù)下打印樣件表面粗糙度 μm

2．2 彎曲性能分析

圖4為正交實驗不同工藝參數(shù)下的打印樣件彎曲應力-應變曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，在達到最大彎曲應力以前，所有曲線對應的應力隨應變線性增加。在此過程中，部分曲線出現(xiàn)小的波動，這主要是在加載過程中彎曲樣件層間斷裂所致。當達到最大強度后，樣件發(fā)生彎曲斷裂，應力急劇下降。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，不同工藝參數(shù)對打印制件的彎曲性能影響較大。

圖4 不同工藝參數(shù)下打印樣件彎曲應力-應變曲線

表3為根據(jù)正交實驗設計方案統(tǒng)計的不同工藝參數(shù)下成型制件的彎曲性能結(jié)果。從表3數(shù)據(jù)可知，不同工藝參數(shù)下的彎曲強度和彎曲彈性模量具有較大差異。當噴頭溫度為350℃、打印速度為6 mm/s、層間厚度為0.6 mm時，打印樣件彎曲強度和彎曲彈性模量最小，分別為153.91 MPa和8.83 GPa。而當噴頭溫度為390℃、打印速度為4 mm/s、層間厚度為0.4 mm時，打印樣件彎曲強度和彎曲彈性模量最大，分別為330.97 MPa和54.50 GPa。

表3 不同工藝參數(shù)下打印樣件彎曲性能

2．3 正交實驗結(jié)果分析

圖5為表面粗糙度、彎曲彈性模量和彎曲強度的主效應圖，該圖是由各因素水平的響應均值連線繪制而成。從圖5可以得到各因素對實驗結(jié)果的影響規(guī)律和影響大小，且不同水平下的均值相差越大表明該因素的變動對結(jié)果影響越大。對于表面粗糙度，主效應圖結(jié)果表明三個因素影響大小的排序為：C>B>A，即分層厚度的變化對樣件表面粗糙度影響最大，其次是打印速度，而噴頭溫度影響最小。最佳工藝參數(shù)組合是A3B1C1，即噴頭溫度為390℃，打印速度為2 mm/s，層間厚度為0.4 mm時，樣件的表面粗糙度最小。

圖5 表面粗糙度、彎曲彈性模量和彎曲強度主效應圖

針對彎曲彈性模量，統(tǒng)計結(jié)果表明三個因素影響大小的排序為：C>A>B，即分層厚度的變化對樣件彎曲彈性模量影響最大，其次是噴頭溫度和打印速度。此外，由主效應圖可確定最佳工藝參數(shù)組合是A3B1C1，即噴頭溫度為390℃，打印速度為2 mm/s，分層厚度為0.4 mm時，樣件的彎曲彈性模量最高。

彎曲強度的主效應結(jié)果表明三個因素影響大小的排序為：C>B>A，即分層厚度的變化對樣件彎曲強度影響最大，其次是打印速度，而噴頭溫度影響最小。此外，最佳工藝參數(shù)組合是A3B1C1，即噴頭溫度為390℃，打印速度為2 mm/s，層間厚度為0.4 mm時，樣件的彎曲強度最高。

表4為各因素對表面粗糙度方差分析結(jié)果。根據(jù)表4方差分析的數(shù)據(jù)結(jié)果可以計算得到P值。當P值≤0.01時，表明該因素對結(jié)果有極顯著影響，當0.010.05時，表明該因素對結(jié)果影響不顯著。由表4可見，方差分析結(jié)果表明各因素在選定參數(shù)范圍內(nèi)對表面粗糙度影響不顯著。

表4 表面粗糙度方差分析結(jié)果

彎曲彈性模量的方差分析結(jié)果見表5。由表5可以看出，噴頭溫度(P值=0.022)和打印速度(P值=0.010)對彎曲彈性模量有顯著影響，而分層厚度(P值=0.002)對彎曲彈性模量有極顯著影響。

表5 彎曲彈性模量方差分析結(jié)果

彎曲強度方差分析結(jié)果見表6。由表6可以看出，噴頭溫度(P值=0.025)對彎曲強度影響顯著，打印速度(P值=0.182)對彎曲強度影響不顯著，而分層厚度(P值=0.003)對彎曲強度有極顯著影響。

表6 彎曲強度方差分析結(jié)果

2．4 試驗驗證

將最佳工藝參數(shù)A3B1C1 (噴頭溫度390℃，打印速度2 mm/s，分層厚度0.4 mm)用于連續(xù)纖維增材制造，并對成型制件進行表面粗糙度和彎曲性能表征。經(jīng)驗證試驗，得到彎曲彈性模量為57.05 GPa，彎曲強度為355.07 MPa，高于正交實驗中的最大彎曲彈性模量(54.50 GPa)和彎曲強度(330.97 MPa)，表面粗糙度為24.99 μm，低于正交實驗中的最小表面粗糙度(25.41 μm)。

3 結(jié)論

(1)分層厚度越小，道間結(jié)合質(zhì)量越好，成型制件表面粗糙度越小，彎曲彈性模量和彎曲強度越高。而隨著分層厚度增大，打印道間孔隙增大，表面粗糙度逐漸增大，而彎曲強度和彎曲模量逐漸減小。

(2)分層厚度對表面粗糙度、彎曲彈性模量和彎曲強度的影響最大。主效應分析表明最優(yōu)工藝參數(shù)為噴頭溫度390℃，打印速度2 mm/s，分層厚度0.4 mm。經(jīng)驗證，彎曲彈性模量為57.05 GPa，彎曲強度為355.07 MPa，表面粗糙度為24.99 μm。

(3)方差分析表明各因素在選定參數(shù)范圍內(nèi)對表面粗糙度影響不顯著。分層厚度對彎曲彈性模量和彎曲強度具有極顯著影響，噴頭溫度對彎曲彈性模量和彎曲強度具有顯著影響，打印速度對彎曲彈性模量具有顯著影響，而對彎曲強度影響不顯著。