《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Enhancing Mechanical Properties of CCF/PEEK Composites by Rotary 3D Printing with Co-Regulation of Hot Compaction and Fiber Tension
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本工作研发了具有闭环张力与热压缩协同调控的旋转3D打印平台，优化CFRTPCs成型的孔隙率（0.99%→0.2%）与纤维对齐度（7.46°→4.84°），确定60N压缩力与500mN张力的最佳工艺窗口，实现抗拉强度257.56MPa、层间剪切强度31.37MPa及模量3.24GPa的显著提升。
刘明亮|张灿|田晓勇|刘鹏|孔维毅|雷黎明|李笛晨
中国西安交通大学机械工程学院制造系统工程国家重点实验室，西安，710045
摘要：
通过熔融沉积建模（FDM）方法制造的连续纤维增强热塑性复合材料（CFRTPCs）通常存在原位固化不足的问题，导致界面空隙、纤维波动以及机械性能受限。本研究开发了一种具有实时闭环协同调节热压实和纤维张力的旋转3D打印平台，以提升CCF/PEEK复合材料的固化质量。闭环力反馈系统能够在沉积过程中实现稳定的压实控制，与传统固定高度打印相比显著提高了层间完整性。微观结构的演变受到压实诱导的树脂流动与张力介导的锚固作用之间的竞争控制。热压实促进了基体流动，有效抑制了空隙缺陷，使孔隙率从0.99%降至0.2%。然而，过度的压实会产生强烈的流体动力阻力并导致纤维偏移，破坏纤维排列。相反，增加纤维张力可以提供轴向稳定约束，改善纤维准直度（偏移角度从7.46°降至4.84°），同时提高纤维质量分数（从17.51%升至24.81%）。摩擦诱导的放大机制进一步将压实与有效张力联系起来，突显了它们在旋转固化过程中的内在耦合性。研究发现，在60 N的压实力和500 mN的张力下可实现最佳协同加工效果，此时材料的拉伸强度、层间剪切强度和模量分别达到257.56 MPa、31.37 MPa和3.24 GPa。这些结果为压实-张力协同调节建立了定量的过程-结构-性能框架，为高性能热塑性复合材料的弯曲结构部件制造提供了指导。
引言
连续纤维增强热塑性复合材料（CFRTPCs）因其优异的比强度、热稳定性和可回收性，在航空航天[1]、[2]、[3]、交通运输[4]、[5]和高端制造[7] [8]领域得到广泛应用。3D打印CFRTPCs已成为制造几何复杂结构的有力解决方案，提供了更好的设计灵活性，并消除了对传统模具的需求[9] [10] [11]。然而，与传统成型技术相比，FDM 3D打印CFRTPCs仍面临高孔隙率[12] [13]、界面粘结强度低[14]和机械性能较差[15] [16]等关键问题，这些限制了其实际应用。由于FDM 3D打印过程中浸渍和粘结时间较短，因此在沉积过程中施加外部压力对于降低孔隙率和增强层间粘附至关重要[10] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23]。受自动化纤维放置（AFP）[24] [25] [26] [27]原理的启发，越来越多的研究在复合3D打印中采用了靠近原位固化点的加热压实辊[28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35]。张等人[35]研究了使用压力辊对复合材料进行加压和加热的方法，并探讨了减少旋转次数的路径规划；而康等人[30]系统研究了热压实工艺参数（温度、压力、速度）对机械性能和微观结构的影响。然而，大多数研究依赖于固定的几何参数来调节压力，未直接测量打印过程中的压力波动。Oberlercher等人[32]指出，由于热膨胀和工具路径不规则，固定层高度产生的压力在打印过程中会显著波动，这阻碍了对压力-性能关系的准确研究。因此，实现稳定压实需要精确的力和位移控制，这对系统集成和硬件设计提出了挑战。
更为关键的是，高压实力的引入会引发一个被忽视的物理冲突：虽然增加压实力对于驱动粘性PEEK树脂以抑制空隙是必要的，但压力会对纤维产生显著的流体动力阻力和压缩作用[36] [37] [38] [39] [40]。Rogers[39]提出了一个连续介质模型来描述纤维增强流体的挤压流动，理论上证明了粘性基体在横向压缩下会对纤维网络产生较大的流体动力阻力。这种机械扰动容易导致纤维屈曲和错位，从而破坏应力传递路径并降低承载能力[41] [42] [43]。为了解决这一冲突，理论上需要纤维张力来提供锚固力，以矫正纤维并抵消压实引起的阻力[20] [44] [45] [46] [47]。Ichihara等人[47]证明，施加纤维张力可以减少纤维波动和空隙含量，从而提高压缩性能。尽管近期研究表明单独增加压实力或纤维张力都能改善性能，但这两个控制因素之间的相互作用机制仍不明确。因此，如何在有效抑制压实引起的纤维变形的同时保持高浸渍压力仍是一个未解决的挑战。
为了解决这些问题，本研究开发了一种定制的旋转3D打印平台，该平台具备独立的纤维张力和压实力闭环控制功能。提出了一个耦合的Hertzian-Howell模型来建立基本的协同调节策略。通过对海军武器实验室（NOL）环形试样的机械测试，系统研究了打印力对孔隙率、纤维错位和机械性能的影响。与主要依赖预设几何约束的传统卷带缠绕或AFP工艺不同，本研究引入了主动的力域调节机制，并揭示了摩擦介导的放大效应，实现了浸渍压力和纤维排列的定量耦合。这些发现阐明了潜在的耦合机制，为高性能CFRTPCs中空隙抑制与纤维排列之间的平衡提供了可靠的方法。
旋转3D打印系统与闭环张力和压实控制的发展
如图1(a)所示，开发了一种定制的旋转3D打印系统，以实现纤维张力和原位固化压力的精确调节。为了调节纤维张力，在纤维卷轴支架中集成了两个磁阻尼器，根据需要调整阻尼力。随后，张紧的纤维与PEEK丝材在加热块中融合，形成连续的CCF/PEEK复合丝材。浸渍后的丝材经过张力传感器后
工艺稳定性和性能验证
在系统研究纤维张力和压实力的耦合效应之前，首先需要明确工艺稳定性在旋转3D打印中的关键作用。图6比较了所开发的闭环力控制系统与传统固定打印高度方法之间的实时力监测数据和机械性能。
如图6(a)所示，采用固定打印高度的制造过程表现出明显的不稳定性。
结论
本研究证明，实时闭环调节热压实力对于实现CCF/PEEK NOL环形件的旋转3D打印中的稳定原位固化至关重要。与固定高度沉积相比，闭环策略显著提高了机械完整性，层间剪切强度（ILSS）从22.96 MPa提升至27.98 MPa，拉伸强度提高了29.6%。
微观结构的演变受到压实诱导的流体动力阻力与...
作者贡献声明
田晓勇：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。刘明亮：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论研究、实验设计、概念构思。李笛晨：资源协调。雷黎明：数据可视化。张灿：数据可视化、结果验证。孔维毅：实验设计。刘鹏：数据可视化
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U2441277）、国家重点研发计划（项目编号：2023YFB4605301）、陕西省重点研发计划（项目编号：2021LLRH-08–3.1）以及太航实验室和中央高校基本科研业务费的支持。
