弗吉尼亚理工大学推出新型六自由度多轴工具，助力纤维增强3D打印

2025年6月6日，南极熊获悉，弗吉尼亚理工大学机械工程系的研究人员推出了一种专为多轴3D打印设计的连续纤维增强（CFR）沉积工具，显著提升了复合材料结构的机械性能。

相关研究以题为“Multi-axis material extrusion of continuous carbon fiber composites: tool design and mechanical characterization”的论文发表在，由Kieran D. Beaumont、Joseph R. Kubalak和Christopher B. Williams领导，发表于《Springer Nature Link》期刊。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s00170-025-15749-8

研究表明，与传统的平面短碳纤维（SCF）3D打印方法相比，新型多轴工具的最大负载能力提高了820%。它集成了三大关键功能：可靠的纤维切割和重新进给、原位纤维体积分数控制以及纤细的碰撞体积，以支持复杂的多轴刀具路径。

新开发的沉积工具解决了CFR增材制造中的关键挑战。它能够在移动过程中切割和重新送入连续纤维，这一功能对于创建复杂的几何形状至关重要，不会造成材料撕裂或打印失败。此外，还可以通过调节聚合物挤出速率实现纤维体积分数的原位控制。纤细的几何形状可最大限度地减少多轴运动过程中工具与打印部件之间的碰撞。

研究人员设计了沉积工具，用于共挤出热塑性聚合物基质和连续碳纤维 (CCF) 丝束浸渍材料。这种方法能够在每次切割后实现可靠的纤维再进料，并支持在单个部件内以可变的纤维含量进行打印。沉积工具纤细的碰撞体积支持实验中使用的机械臂增加运动范围，从而允许在复杂结构中将纤维与三维载荷路径对齐。

△六自由度机械臂利用CFR聚合物复合材料打印多轴几何体。图片来自Springer Nature Link。

机械测试证实承重能力有所提升

机械试验评估了连续纤维增强材料对聚乳酸 (PLA) 部件的影响。在拉伸试验中，用连续碳纤维增强的样品在纤维方向上的拉伸强度和拉伸模量分别为 190.76 MPa 和 9.98 GPa。相比之下，纯 PLA 的拉伸强度和拉伸模量分别为 60.31 MPa 和 3.01 GPa，而含有短碳纤维的部件的拉伸强度和拉伸模量分别为 56.92 MPa 和 4.30 GPa。额外的试验评估了层内和层间性能，结果表明连续纤维增强材料在这些方向上的机械性能有所降低。与纯 PLA 相比，层内拉伸强度和模量分别下降了 66% 和 63%，层间强度和模量分别下降了 86% 和 60%。

研究人员采用三种方法打印了弯曲拉伸杆几何形状，以评估在三维载荷路径部件中的性能：平面短碳纤维增强聚乳酸 (PLA)、多轴短纤维增强样品和多轴连续纤维增强复合材料。与平面部件相比，多轴短纤维增强部件的最大载荷提高了 41.6%。同时，多轴连续纤维增强部件的载荷吸收量是平面短纤维增强样品的 8.2 倍。扫描电子显微镜 (SEM) 的断裂表面图像显示，纤维被拉出，纤维与基质的结合有限，尤其是在含有连续纤维的样品中。

△常见连续纤维增强材料挤出 (CFR-MEX) 工艺示意图：原位浸渍、丝束预浸料挤出以及丝束预浸料共挤出。图片来自Springer Nature Link。

为了验证沉积工具的光纤切割和再送料能力，研究人员打印了一个100 × 150 × 3毫米的矩形板，在六层打印过程中进行了426次切割和再送料操作。沉积工具的成功率达到了100%，证明了可靠的切割和再送料性能，且没有光纤堵塞。这种可靠性对于制造需要在沉积路径之间频繁移动的复杂结构至关重要。

通过打印一个长方体样品，并改变聚合物进料速率、路径宽度和层高，验证了原位纤维体积分数控制。通过横截面显微镜和图像分析测量，部件不同截面的纤维体积分数分别为 6.51%、8.00% 和 9.86%。尽管低于一些文献报道，但研究人员将其归因于工具几何形状、聚合物-纤维相互作用时间和打印速度的特定组合。

沉积工具采用 Anisoprint 的 CCF 丝束预浸料，这是一种预浸渍连续碳纤维产品，纤维体积分数为 57%，直径为 0.35 毫米。选择 3DXTECH 的黑色 PLA 和 SCF-PLA 长丝，以确保基质性能的一致性，并避免颜料变化对机械测试的影响。实验使用配备工具更换器的 ABB IRB 4600-40/2.55 机械臂进行，可在 CFR-MEX 沉积工具和带有细长喷嘴的标准 MEX 工具之间切换，用于平面打印。

△沉积工具 CAD 和组装。图片来自 Springer Nature Link。

现有研究背景和未来方向

增材制造中的连续纤维增强技术此前已证明可显著提升部件性能，一些研究报告称，采用连续碳纤维增强的PLA复合材料的拉伸强度高达650 MPa。然而，传统的三轴打印方法将纤维取向限制在平面方向，从而将这些性能提升限制在XY平面内。多轴3D打印方法已证明可提高短纤维增强部件的承载能力。例如，在压力盖和曲面几何应用中，多轴打印样品的失效载荷比平面打印样品高出数倍。

弗吉尼亚理工大学的工具集成了文献中先前工具无法同时实现的多种功能。它结合了基于双驱动挤出机的聚合物进料器、纤维切割器和再进料器组件，以及可调节相互作用时间的共挤出热端，用于纤维-聚合物粘合。针状几何形状和外部气动冷却管降低了在多轴重新定向过程中与打印部件发生碰撞的风险。测得的碰撞体积角（完整工具）为 56.2°，（热端组件）为 41.6°。

△弯曲拉伸杆的荷载-延伸性能图。图片来自 Springer Nature Link。

尽管取得了这些进展，研究人员仍发现了与纤维与聚合物基质之间弱结合相关的挑战。SEM图像显示，聚合物对纤维束浸渍剂的浸渍有限，纤维-基质界面仍然是未来研究的重点领域。研究强调，优化纤维束尺寸并缩短打印过程中纤维-聚合物的相互作用时间可以增强层间和层内性能。结果还表明，先进的刀具路径规划算法可以进一步利用刀具沿三维载荷路径对齐纤维沉积的能力，从而提高功能部件的机械性能。

总结来看，Springer Nature Link 上发表的这篇文章记录了 CFR-MEX 工具的完整设计、验证实验和机械特性。这项工作为多轴增材制造领域日益增长的研究增添了新的内容，尤其是在将连续纤维增强材料与复杂几何形状相结合方面。