3Dプリントされた連続炭素繊維強化熱可塑性複合材料における繊維のずれと破損

3Dプリントされた連続炭素繊維強化熱可塑性複合材料における繊維のずれと破損
出典: Jietai Technology

近年、連続炭素繊維強化複合材料は、高比強度、高比剛性などの優れた機械的特性により、航空機の胴体やその他の高級工業製品にますます多く使用されるようになっています。複雑な形状の複合部品の場合、性能要件に応じて FDM プロセスで繊維を配置できます。ただし、FDM 印刷では、ノズルの引っ張りとファイバー ステアリングのプロセス中に、面外のしわ、ふくれ、上向きの引っ張り、せん断効果などの欠陥が発生する可能性があります。それによって部品の機械的特性にさらに影響を与えます。

この問題を解決するために、英国エディンバラ大学のHaoqi Zhang氏らは、異なる角度と曲率を持つ連続炭素繊維強化複合材料の単一ストライプを印刷することにより、FDM印刷中の1K連続炭素繊維フィラメントの繊維転位と破損の形成プロセスを研究し、欠陥形成プロセスを分析しました。

異なる回転角度を持つ複合材料の単一ストライプの印刷効果を図 1 に示します。回転角度が 30° の場合、複合フィラメントは平らになり、ほとんどの連続繊維の実際の回転角度は一定になります。回転角度が 60° に増加すると、繊維束が折り畳まれ始め、一部の連続繊維が外周から内周に反転します。印刷回転角度が 120° まで増加し続けると、印刷フィラメントの折り返し点で明らかな折り畳みが見られ、コーナーでのフィラメントの平均幅が減少し、繊維のない領域が広くなります。ステアリング角度が 150° および 180° の場合、繊維は大きくねじれて位置がずれ、繊維の破損が観察されました。したがって、実際の印刷では、ステアリング角度が 120° を超える印刷パスはできる限り避ける必要があります。

FDMプロセスで印刷された異なる回転角度の炭素繊維フィラメント(a)30°(b)60°(c)90°(d)120°(e)150°(f)180°
異なる曲率半径を持つ複合材料の単一ストライプの印刷効果を図 2 に示します。曲率半径 20 mm の単一ストライプでは明らかな表面欠陥は観察されず、単一ストライプの幅は印刷方向に沿ってほぼ一定でした。直径10mmのフィラメントの内周の繊維はねじれてしわになっています。厚さが 5 mm に達すると、これら 2 つの欠陥がより頻繁に発生します。曲率半径が2.5mmの場合、設計された経路に従って単一のストライプを印刷することが困難であり、内周と外周の間で完全な変形を伴う繊維の折り畳み現象が観察されました。また、曲率半径が5mmと2.5mmの場合にも少量の繊維が破断しました。したがって、実際の印刷プロセスでは、曲率半径が 5 mm 未満の印刷パスはできる限り避ける必要があります。

FDMプロセスで印刷された異なる曲率半径の炭素繊維フィラメント

連続炭素繊維強化熱可塑性複合材

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