3D列印亞麻纖維生物複合材料在結構應用中的前景

在「用於結構應用的連續亞麻纖維增強生物複合材料的3D列印」的研究中，作者A Le Duigou，A。Barbé，E。Guillou和M. Castro等人對在PLA等長絲的3D列印中使用亞麻等天然材料越來越感興趣。

研究人員以FDM 3D列印為研究對象，通過加入連續亞麻纖維/聚乳酸（CFF/PLA）複合長絲，製備出力學性能最佳的生物複合材料。他們創造了一種定製的擠出技術，用於複合材料，作者稱，該技術「證明了紗線在橫截面內的均勻分布，而扭曲的亞麻紗則導致中尺度的富纖維區域。」

研究小組對用亞麻製造一種新的複合材料很感興趣，因為它的力學性能「很有前途」-通常很難找到所需的所有合適的品質。他們解釋說，許多生物複合材料今天很受歡迎，但在使用許多不同的天然纖維時，其力學性能仍然不太合適。

研究人員說：「CFF/PLA的拉伸模量和強度值超過了目前唯一公布的連續天然纖維列印複合材料的拉伸模量和強度值的4.5倍以上。」「拉伸性能與連續玻璃纖維/聚醯胺(PA)列印複合材料的拉伸性能相同，為生物複合材料在結構應用中的應用鋪平了道路。其最弱之處在於其橫向性能仍比類似的亞麻/PLA熱壓縮複合材料差。」

其他纖維複合材料如玻璃、碳和芳綸也正在研究中，以提高3D列印性能，因為材料被「浸漬」以產生更好的結構。使用現場定製的Prusa i3 3D印表機，一個控制風扇旋轉的Arduino卡，以及Simplify 3D軟體，研究人員創建了一些可以進行評估的樣本，並與之前的研究結果進行了比較。

生產連續亞麻/PLA長絲的擠出工藝參數

作為一種紗線，亞麻是紡織品應用中複合材料的明顯選擇——可以提高織造強度。然而，作者指出，在「扭曲的結構」中觀察到纖維束，影響了孔隙率和整體微觀結構。

「此外，亞麻紗線顯示出與長絲中心的偏差，這似乎是由於共擠出頭造成的。實際上，在共擠出過程中，聚合物流向垂直於亞麻紗，這導致其定位在長絲的邊緣。」作者說。

「試驗結果表明，長絲內纖維體積含量超過35％，導致難以獲得高質量的列印樣品。因此，在目前的工作中，所開發的cFF/PLA長絲含有較低的體積分數，為30.4±0.8％（wf≈34.5％），這接近商用高性能碳/聚醯胺長絲。印花長絲不影響纖維含量，因此cFF/PLA生物複合材料的纖維含量與長絲相似。」

與以下方面相比，縱向性能得到改善：

·純PLA（剛度為×7，強度為×4.5）

·不連續天然纖維增強3D列印生物複合材料（剛度為×11，強度為×10）

·連續黃麻/PLA列印生物複合材料的可用數據（剛度為×4.5，強度為×4.5）

研究人員認為，這些特性可以通過亞麻固有的更高機械性能，更高的纖維紗線高寬比，以及更好的纖維含量和整體均勻性來解釋。

「非線性拉伸行為是天然纖維單向複合材料的典型特徵，其性能與熱壓縮，VARTM和AFP製造的長亞麻纖維複合材料以及商業3D印表機生產的連續玻璃/ PA複合材料相媲美。如此高的測量性能為結構應用開闢了3D列印生物複合材料，「研究人員總結道。

「cFF/PLA列印複合材料的最弱之處是它們的橫向性能仍然低於類似的亞麻/ PLA熱壓縮複合材料。在拉伸試驗中觀察到的損傷機理與在長絲展開的連續合成纖維/聚合物列印複合材料中觀察到的相似。

（a）連續亞麻纖維/ PLA（cFF/PLA）長絲的微觀結構；（b）未經測試的cFF/PLA樣品橫截面的SEM顯微照片；（c）橫向列印的cFF/PLA（90°）；（d）cFF/PLA縱向列印（0°）。面板d的細節顯示（e）環重疊和（f）規則環。

在過去幾年中，與3D列印相關的材料科學已經取得了長足的進步。雖然桌面機用戶的普及程度不斷提高，研究人員和工業製造商繼續使用像PLA這樣的燈絲，但現在正在用各種其他材料如石墨烯、連續纖維甚至木材來製造複合材料。

（a）縱向；（b）cFF/PLA列印部件的橫向斷裂的宏觀圖像；（c）cFF/PLA列印部件的縱向橫向斷裂；（d）cFF/PLA列印部件的橫向斷裂的SEM顯微照片。白色箭頭證明纖維束剝離和基質失效。

來源：3D列印商情

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