供稿人：刘哲、高琳 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2025-04-06
传统材料挤出增材制造在制造高纤维效率的复合材料时面临诸多挑战，如纤维长度增加会导致喷嘴堵塞和打印质量下降，纤维取向难以控制等。英国爱丁堡大学工程学院材料与工艺研究所研究了一种斜角进料挤出系统。此系统可以改善纤维的流动与分布，获得较高纤维体积分数的打印件，从而提升打印件的机械性能，且具有极高的打印精度。
该团队设计的斜角进料挤出（AFE）系统技术原理是将打印机喷嘴倾斜45°，这一设计改变了纤维在挤出过程中的流动行为，减少了纤维与边界壁的相互作用，降低了阻力，从而有效缓解甚至消除了打印过程中的堵塞问题，并且有助于保持纤维的取向和分布。CFD-DEM模拟结果显示，45°喷嘴打印的纤维保持着更好的排列和分布，纤维取向良好，纤维所受平均力较小，变形程度也明显低于传统90°喷嘴。
图1 3轴打印机上的AFE与5轴打印机上的AFE
AFE系统制造的碳纤维复合材料实现了高达3.8mm的纤维长度和30.3%的纤维体积分数，这为研究纤维效率与复合材料性能之间的关系提供了理想的模型，有助于深入理解复合材料的微观结构与宏观性能之间的联系。AFE 系统制造的复合材料拉伸强度和模量大幅提高，拉伸强度达到178MPa，模量为9.9GPa，与短纤维增强复合材料相比有显著提升，这为高性能复合材料结构件的制造提供了新的方法和途径。
图2 rCF-H 复合材料的 X 射线计算机断层扫描成像
图3打印试样的拉伸性能：(a)打印试样的拉伸强度和拉伸模量；(b)打印试样的代表性应力-应变曲线
本文展示了一种斜角进料挤出（AFE）系统，大幅提高纤维长度，保证了纤维取向的规整，提高了打印质量与精度，且打印产品的力学性能也得到了较大提升。高纤维体积分数复合材料的成功打印为制造高纤维效率复合材料提供了可行的解决方案。