《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：Peel performance of composite sandwich parts manufactured by a novel in-situ consolidation robotic 3D printing technique
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新型在位固化机器人3D打印技术用于制造热塑性夹层结构，采用低熔点聚芳醚酮（LM PAEK）碳纤维增强带材与聚乳酸（PLA）3D打印芯层复合，通过ASTM D1781剥离测试验证，其剥离强度达84.7N/cm，较基线提升182%。
萨缪尔·奥索里奥·马里诺（Samuel Osorio Marino）|达尔顿·拉穆鲁（Dalton Lamoureux）|卡泽姆·法亚兹巴赫什（Kazem Fayazbakhsh）
多伦多都市大学航空航天工程系，加拿大安大略省多伦多市，M5B2K3
摘要
复合夹层结构是适用于需要高弯曲刚度应用的有效解决方案，通常通过使用薄膜粘合剂将表层材料粘合到轻质芯材上来制造。本研究提出了一种新型的原位固化机器人3D打印技术，用于制造热塑性夹层板。在该过程中，使用机器人3D打印机直接将单向热塑性 tapes沉积到热塑性芯材上。所使用的 tapes 是低熔点聚芳醚酮（LM PAEK）基材，并添加了连续碳纤维（CCF）作为增强材料；芯材则单独使用聚乳酸（PLA）进行3D打印。研究了芯材顶部和底部的纯聚合物层数量（0层与2层）以及表层材料的3D打印速度（10毫米/秒与5毫米/秒）这两个独立变量对结构性能的影响。每种配置制作了两个样品，并根据ASTM D1781标准进行了剥离测试，以评估表层与芯材之间的结合强度。结果显示，采用10毫米/秒打印速度制作的纯PLA双层样品具有最佳的表层质量，胶带之间的间隙最小，且没有出现芯材的印记。所有样品的标准化平均剥离载荷为84.7牛顿/厘米，比基准值30牛顿/厘米高出182%。
引言
复合夹层结构通常由两层刚性表层材料构成，中间夹有一层轻质芯材，适用于要求重量轻且弯曲刚度高的应用。传统上，在高性能应用中，首先使用连续纤维增强的热固性预浸料制造表层材料，然后通过薄膜粘合剂将其粘合到芯材上[1]。这种传统方法分为两个步骤：首先进行表面处理以确保良好的界面粘接强度和耐久性[2][3]；然而，这种处理过程成本高昂、劳动密集且耗时[4]。此外，由热固性材料或粘合剂制成的夹层结构不可回收[5]。
增材制造（AM），也称为3D打印，主要用于制造热塑性芯材，而连续纤维增强层仍采用传统制造技术[6][7][8]。李（Li）和王（Wang）[6]使用PolyJet 3D打印机，以VeroWhite材料制作了三种芯材几何形状，表层材料为碳纤维增强的乙烯基酯树脂。随后使用环氧粘合剂将表层材料粘合到芯材上，制备了用于三点弯曲测试的样品。其中，采用10毫米/秒打印速度制作的纯PLA双层样品表现出最佳的表层质量，胶带之间的间隙最小，且没有芯材的印记。所有样品的标准化平均剥离载荷为84.7牛顿/厘米，比基准值30牛顿/厘米高出182%。
引言
复合夹层结构通常由两层刚性表层材料和一层轻质芯材组成，适用于要求重量轻且弯曲刚度高的应用。传统上，高性能应用中的表层材料先由连续纤维增强的热固性预浸料制成，再通过薄膜粘合剂粘合到芯材上[1]。这种传统方法需要预先进行表面处理，以确保良好的界面粘接强度和耐久性[2][3]，但这种处理过程成本高、劳动强度大且耗时[4]。此外，由热固性材料或粘合剂制成的夹层结构不可回收[5]。
增材制造（AM），也称为3D打印，主要用于制造热塑性芯材，而连续纤维增强层仍采用传统制造技术[6][7][8]。李（Li）和王（Wang）[6]使用PolyJet 3D打印机，以VeroWhite材料制作了三种芯材几何形状，表层材料为碳纤维增强的乙烯基酯树脂，并使用环氧粘合剂将其粘合到芯材上，制备了用于三点弯曲测试的样品。其中，采用10毫米/秒打印速度制作的样品具有最高的弯曲刚度和强度。陆（Lu）等人[7]使用聚乳酸（PLA）打印了多种芯材几何形状，包括双网格、三网格、四网格和Kagome网格结构，表层材料为碳纤维环氧-T300树脂，并使用环氧树脂将其粘合到芯材上，制备了用于三点弯曲测试的样品。所有样品的主要失效机制均为芯材剪切失效，但也存在表层与芯材之间的剥离现象。阿尔沙尔（Alshaer）和哈兰德（Harland）[8]使用尼龙PA12材料打印了七种芯材几何形状，包括gyroid结构。他们采用湿法铺层工艺制备了碳纤维表层材料，并使用相同的树脂将其粘合到芯材上，制备了用于三点弯曲测试的样品。其中，gyroid结构的样品表现出最高的相对标准化极限强度、模量和弯曲刚度。所有样品在测试过程中都出现了表层与芯材之间的剥离现象，这归因于芯材材料以及复合材料铺层过程中的不均匀性。
其他研究人员使用3D打印技术，特别是材料挤出（MEX）技术，通过一步法制造了热塑性夹层部件。他们主要使用纯聚合物（如PLA[9]或ABS[10]）打印表层和芯材，并进行了三点弯曲测试。然而，这些3D打印的夹层板的结构性能较低，应用范围有限。少数研究人员使用连续碳纤维（CCF）增强的尼龙丝材同时打印了表层和芯材。乌姆（Um）等人[11]使用密度逐渐增加的梯形波纹芯材制备了夹层结构梁，并进行了三点弯曲测试。作为对比，芯材使用尼龙-CCF增强材料，而所有表层材料均采用尼龙-CCF打印。他们的研究表明，使用CCF层材料的样品具有更高的弯曲刚度。他们的制造过程仍需要使用环氧粘合剂将表层材料粘合到芯材上，属于两步法。杉山（Sugiyama）[12]通过直接的热塑性材料之间的固化技术，无需粘合剂即可一步法制备CFRTP夹层结构样品。首先，底层表层材料采用交替的0°和90°方向铺设五层CCF丝材；接着，使用二十层丝材制备蜂窝状、菱形、矩形或圆形重复单元结构的芯材；最后，顶层表层材料采用与底层相同的铺设方式铺设五层丝材。他们共制备了四种样品，每种芯材类型各一个，并进行了三点弯曲测试。通常情况下，样品的底层表层材料首先发生拉伸失效，随后顶层表层材料发生压缩失效；所有芯材内部均检测到层间剪切失效现象。尽管如此，未发现表层与芯材之间的界面剥离现象，这表明原位固化技术作为连接方法的有效性。
以往的研究主要通过三点弯曲测试评估复合夹层板的机械性能，但经常观察到测试过程中表层与芯材之间的剥离现象[7][8][11]。因此，要提高夹层结构的性能，首先需要增强其粘接强度。然而，三点弯曲测试并不能准确反映粘接强度。本文建议使用ASTM D1781-98(2021)标准中的标准剥离测试方法[13]。此外，现有研究仅针对纯聚合物或低性能聚合物增强的3D打印夹层板进行了探讨。这些研究使用的3D打印机体积有限，制造灵活性较低。在之前的研究中[14]，我们使用机器人3D打印技术，以低熔点聚芳醚酮（LM PAEK）为基材，添加CCF增强材料，制备了拉伸样品。结果显示，与Markforged公司的尼龙-CCF材料相比，拉伸强度和模量分别提高了32.4%和79.0%。值得注意的是，乌姆（Um）[11]和杉山（Sugiyama）[12]在其3D打印夹层板中也使用了尼龙-CCF材料。
本研究采用机器人3D打印技术，将LM PAEK基材的CCF预浸料 tapes沉积到3D打印的PLA芯材上，制备热塑性复合夹层结构。我们将这一过程称为“原位固化”，因为制造过程中没有额外的步骤，因此属于原位固化。此外，在本研究中，芯材在沉积 tapes之前已经完成3D打印和固化，因此表层与芯材之间没有显著的共同固化现象。这种新型原位固化技术消除了夹层结构中对薄膜粘合剂和复杂表面处理的需求，从而降低了制造成本和时间，同时提高了最终部件的可回收性。此外，使用剥离测试（climbing drum peel test）评估了芯材与表层之间的固化程度，这是目前3D打印夹层结构研究中尚未涉及的方面。
本研究根据改进的ASTM D1781标准评估了原位固化热塑性夹层样品的剥离性能。第2节描述了包括样品设计、制造和测试设备与程序在内的方法论。第3节展示了测试前后的样品情况，并提供了剥离载荷值以及制造和测试过程中遇到的问题。本文总结了主要研究结果、局限性及未来研究方向。
方法论
本章描述了使用原位固化机器人3D打印技术制造的复合夹层结构的设计、制造和测试过程。
结果与讨论
本节包括原位固化夹层样品的尺寸测量结果、剥离载荷值以及失效后的观察结果。讨论了芯材类型和3D打印速度对固化强度的影响。
结论
本研究提出了一种新型的原位固化机器人3D打印方法，用于制造热塑性夹层样品。首先使用Anycubic Kobra 2 max 3D打印机打印纯聚乳酸（PLA）芯材（20%碳纤维增强），然后在其上沉积低熔点聚芳醚酮（LM PAEK） tapes（添加了连续碳纤维（CCF）作为增强材料），制备夹层样品。随后根据改进的ASTM D1781标准进行剥离测试。
CRediT作者贡献声明
萨缪尔·奥索里奥·马里诺（Samuel Osorio Marino）：撰写 – 审稿与编辑、撰写初稿、可视化处理、方法论设计、数据分析、概念构建。达尔顿·拉穆鲁（Dalton Lamoureux）：撰写 – 审稿与编辑、可视化处理、方法论设计、数据分析。卡泽姆·法亚兹巴赫什（Kazem Fayazbakhsh）：撰写 – 审稿与编辑、撰写初稿、项目监督、资源协调、资金获取、概念构建。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢Seyed Miri博士在3D打印头的设计和制造方面的贡献。同时感谢项目合作伙伴Teijin公司提供的原材料，以及Jean-Philippe Canart先生在技术咨询方面的帮助。
