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Chinese Journal of Mechanical Engineering 2021年第1期34卷 131-141页

作者： congze fan Zhongde Shan Guisheng Zou Li Zhan Dongdong Yan State Key Laboratory of Advanced Forming Technology and Equipment Beijing 100044China Department of Mechanical Engineering Tsinghua UniversityBeijing 100084China Nanjing University of Aeronautics and Astron autics Nanjing 210016China China Academy of Mach inery Science&Technology Group Co. Ltd.Beijing 100044China

The additive manufacturing of continuous fiber composites has the advantage of a high-precision and efficient forming process,which can realize the lightweight and integrated manufacturing of complex ***,many void defects exist between layers in the printing process of additive manufacturing;consequently,the bonding performance between layers is *** bonding neck is considered a key parameter for representing the quality of interfacial *** this study,the formation mechanism of the bonding neck was comprehensively ***,the influence of the nozzle and basement temperatures on the printing performance and bonding neck size was ***,CT scanning was used to realize the quantitative characterization of bonding neck parameters,and the reason behind the deviation of actual measurements from theoretical calculations was *** the nozzle temperature increased from 180 to 220℃,CT measurement showed that the bonding neck diameter increased from 0.29 to 0.34 mm,and the cross-sectional porosity reduced from 5.48%to 3.22%.Finally,the fracture mechanism was studied,and the influence of the interfacial bonding quality on the destruction process of the materials was *** conclusion,this study can assist in optimizing the process parameters,which improves the precision of the printing parts and performance between the layers.

关键词： 3D printing Thermoplastic resin Continuous fiber Additive manufacturing

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复合材料预制体成形制造工艺与装备研究

中国机械工程 2021年第23期32卷 2774-2784,2831页

作者：单忠德刘阳范聪泽汪俊南京航空航天大学机电学院南京210016 清华大学机械工程系北京100084

从制造工艺和装备研制的角度总结了复合材料预制体成形技术发展历程,分析了复合材料预制体成形制造工艺的技术特点,列举了国内外复合材料预制体成形制造典型的工艺与装备现状以及存在的问题及差距,并分析展望了复合材料预制体成形技术... 详细信息

从制造工艺和装备研制的角度总结了复合材料预制体成形技术发展历程,分析了复合材料预制体成形制造工艺的技术特点,列举了国内外复合材料预制体成形制造典型的工艺与装备现状以及存在的问题及差距,并分析展望了复合材料预制体成形技术的未来发展方向及趋势。发展高性能复合材料构件数字化精确成形制造技术及装备,能更好推动我国复合材料技术进步,并实现更加广泛的推广应用。

关键词：复合材料三维预制体成形制造数字化制造

Effects of Low-pressure Annealing on the Performance of 3D Printed CF/PEEK Composites

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Chinese Journal of Mechanical Engineering(Additive Manufacturing Frontiers) 2023年第2期2卷 25-34页

作者： Xiao Yu Wenzhe Song Jinghua Zheng Yiwei Chen Linlin Luo congze fan Zhongde Shan College of Material Science&Technology Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing210016China National Innovation Center of Advanced Dyeing&Finishing Technology Taian271000China College of Mechanical&Electrical Engineering Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing210016China

The interlayer bonding properties are normally unsatisfying for 3D printed composites owing to the layer-by-layer formation *** this study,low-pressure annealing was performed on 3D printed carbon fiber reinforced polyether ether ketone(CF/PEEK)to improve the interlayer bonding *** effects of annealing parameters on the mechanical properties and microstructure were *** results showed that the interlaminar shear strength(ILSS)of CF/PEEK improved by up to 55.4%after *** and𝜇-CT were also applied to reveal the reinforcing *** improvement could mainly be attributed to the increased crystallinity of the CF/PEEK after ***,annealing reduced the porosity of the printed CF/PEEK and improved the fiber-resin *** resulted in a reduction in the stress concentration areas during loading,thereby enhancing the interlayer bonding strength of CF/PEEK.

关键词： 3D printing Carbon fiber Composite Low-pressure annealing Interlayer bonding strength

纤维增强树脂基复合材料增材制造技术与装备研究

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中国机械工程 2020年第2期31卷 221-226页

作者：单忠德范聪泽孙启利战丽机械科学研究总院集团有限公司先进成形技术与装备国家重点实验室

在综述纤维增强树脂基复合材料增材制造技术的国内外研究现状基础上,分析了短纤维、长纤维、连续纤维增强树脂基复合材料的成形方法、工艺及性能。针对高性能的连续纤维增强树脂基复合材料的增材制造成形,研究了连续纤维增材制造成形机... 详细信息

在综述纤维增强树脂基复合材料增材制造技术的国内外研究现状基础上,分析了短纤维、长纤维、连续纤维增强树脂基复合材料的成形方法、工艺及性能。针对高性能的连续纤维增强树脂基复合材料的增材制造成形,研究了连续纤维增材制造成形机理及工艺,揭示了其成形性能的影响规律。指出了纤维增强树脂基复合材料增材制造技术与装备的未来发展趋势:亟需开展纤维增强复合材料的增材制造成形机理、成形工艺及装备研究,更好地推进纤维增强树脂基复合材料的广泛应用。

关键词：纤维增强连续纤维复合材料热塑性树脂增材制造

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3D打印连续纤维复合材料丝材的成形规律

中国机械工程 2020年第9期31卷 1089-1097页

作者：范聪泽单忠德邹贵生战丽刘晓军机械科学研究总院集团有限公司先进成形技术与装备国家重点实验室北京100044 清华大学机械工程系北京100084

针对3D打印连续纤维增强热塑性树脂复合材料,研究了热塑性树脂在螺杆挤出过程中的流动机理和在纤维界面的浸渍行为,揭示了螺杆转速和牵引速度对复合丝材成形直径和纤维含量的影响规律。提出使用实际浸渍时间和理论完全浸渍时间来共同表... 详细信息

针对3D打印连续纤维增强热塑性树脂复合材料,研究了热塑性树脂在螺杆挤出过程中的流动机理和在纤维界面的浸渍行为,揭示了螺杆转速和牵引速度对复合丝材成形直径和纤维含量的影响规律。提出使用实际浸渍时间和理论完全浸渍时间来共同表征树脂对纤维的浸渍程度,观察复合丝材断面的形貌可知,高浸渍程度的丝材内部空隙较少,树脂和纤维结合更紧密。进行3D打印成形测试,当丝材的浸渍程度从17.25%提高到40.02%,样件的拉伸强度可从132 MPa提高到160 MPa,提高约21%。对样件进行动态力学性能分析(DMA)测试,试验结果表明浸渍程度高的复合材料成形件具有高的存储模量和损耗模量,表明其纤维和基体间的界面结合程度得到了提高和改善。

关键词：热塑性树脂丝材成形增材制造 3D打印复合材料

基于激光原位预热的连续纤维增材制造层间强化机理研究

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机械工程学报 2024年第1期60卷 44-53页

作者：陈意伟单忠德范聪泽宋亚星宋文哲南京航空航天大学机电学院南京210016 国家先进印染技术创新中心泰安271000 南京航空航天大学材料科学与技术学院南京210016

连续纤维复合材料增材制造具有成形自由度高、材料利用率高、模具依赖度低等优点,能够实现复合材料的快速低成本一体化制造,满足航空航天等领域复材构件短周期高性能的成形需求。但基于层层堆积成形原理的连续纤维复合材料制件层间性能... 详细信息

连续纤维复合材料增材制造具有成形自由度高、材料利用率高、模具依赖度低等优点,能够实现复合材料的快速低成本一体化制造,满足航空航天等领域复材构件短周期高性能的成形需求。但基于层层堆积成形原理的连续纤维复合材料制件层间性能较差,在长期使役过程中极易出现分层失效,严重限制其广泛应用。本研究提出了基于激光原位预热的连续纤维增材制造成形方法,通过建立基于“生死单元”技术的有限元仿真模型,揭示了激光预热对增材制造成形温度分布及其演变规律,并通过实验验证了其对改善成形制件层间性能的有效性,最终获得了激光预热的层间强化机理。结果表明,激光预热能够快速加热样件表面温度,促进层间树脂的熔合粘接,并进一步促进成形丝材的重熔浸渍,相较于未经预热样件,激光预热后层间剪切强度最大提升115%。

关键词：连续纤维增材制造激光预热层间强化生死单元

面向2035年复合材料构件精确制造发展战略研究

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中国工程科学 2023年第1期25卷 113-120页

作者：单忠德宋文哲范聪泽汪俊南京航空航天大学南京210016 南京航空航天大学材料科学与技术学院南京210016 南京航空航天大学机电学院南京210016

先进复合材料具有高比强度、高比模量、可设计性好等优点,广泛应用于航空航天、轨道交通等领域的装备制造,是工业发达国家战略必争资源;保障和提升先进复合材料的供给能力,突破大型复杂复合材料构件的设计成形、加工装配、检测修复等精... 详细信息

先进复合材料具有高比强度、高比模量、可设计性好等优点,广泛应用于航空航天、轨道交通等领域的装备制造,是工业发达国家战略必争资源;保障和提升先进复合材料的供给能力,突破大型复杂复合材料构件的设计成形、加工装配、检测修复等精确制造技术,对支撑制造强国建设具有重要价值。本文总结了国内外复合材料构件精确制造技术的发展现状及趋势,从高精密数控缠绕、复合材料自动铺放、复合材料预制体成形、纤维复合材料增材制造、高性能碳纤维生产等方面梳理了复合材料构件精确制造的关键技术与装备;结合基本态势研判了制约复合材料制造技术水平提升的“卡脖子”环节,提出了我国复合材料构件制造技术与装备的发展思路与分阶段发展目标。研究建议,组织建设国家级创新机构,设立国家重大专项支持,加强学科建设和人才培养,加强国际技术交流与合作,着力推动重大科学创新和关键技术突破,为国家重大工程和装备应用提供高质量科技支撑。

关键词：复合材料精确制造高端装备结构功能一体化

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3D打印复合材料开孔板力学性能影响规律

中国机械工程 2020年第10期31卷 1240-1245页

作者：闫东东单忠德战丽范聪泽孙启利机械科学研究总院集团有限公司先进成形技术与装备国家重点实验室北京100083

为了改善3D打印技术制备的连续碳纤维增强复合材料样件的拉伸力学性能,研究了不同填充路径对复合材料开孔板拉伸性能的影响。采用主应力轨迹路径的规划方法制备了主应力轨迹路径填充开孔板测试样件,并将其与栅格路径填充开孔板和机械加... 详细信息

为了改善3D打印技术制备的连续碳纤维增强复合材料样件的拉伸力学性能,研究了不同填充路径对复合材料开孔板拉伸性能的影响。采用主应力轨迹路径的规划方法制备了主应力轨迹路径填充开孔板测试样件,并将其与栅格路径填充开孔板和机械加工开孔板进行了拉伸性能对比。结果表明:主应力轨迹路径填充开孔板与机械加工开孔板相比,拉伸强度高9.73%,弹性模量高25.58%;主应力轨迹路径填充开孔板在断裂前圆孔周围的应变分布更均匀,应变更小。

关键词： 3D打印复合材料开孔板主应力轨迹力学性能

短纤维层间增强碳纤维复合材料层板的力学研究

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工程塑料应用 2020年第1期48卷 18-23页

作者：刘晓军单忠德战丽张群范聪泽梁美芹北京机科国创轻量化科学研究院有限公司北京100083 机械科学研究总院集团有限公司北京100044 机械科学研究总院集团有限公司先进成形技术与装备国家重点实验室北京100083

以斜纹3k T300碳纤维布、环氧树脂和0.3~0.5 mm短切碳纤维为主要实验原料,使用短切纤维铺放装置将短切碳纤维定量铺放在碳纤维布表面,并铺层得到5块层间短切纤维增强的预制体,每块预制体含8层碳纤维布且每块预制体层间短切碳纤维铺放面... 详细信息

以斜纹3k T300碳纤维布、环氧树脂和0.3~0.5 mm短切碳纤维为主要实验原料,使用短切纤维铺放装置将短切碳纤维定量铺放在碳纤维布表面,并铺层得到5块层间短切纤维增强的预制体,每块预制体含8层碳纤维布且每块预制体层间短切碳纤维铺放面密度分别为5,10,20,30,40 g/m2,并增设一块层数为8层、层间不含短切纤维增强的预制体作为对照组。采用真空辅助树脂灌注成型方式浸渍预制体后高温固化,得到层间含不同面密度短切纤维的碳纤维复合材料层合板,研究了不同面密度短切纤维含量对碳纤维复合材料层合板拉伸、弯曲以及层间剪切强度的影响。研究结果表明,当短切碳纤维铺放面密度为5 g/m2时,复合材料层板的拉伸、弯曲强度最好,在5~40 g/m2范围内,复合材料层板的层间剪切强度随短切碳纤维铺放面密度的增大而增大。

关键词：碳纤维布环氧树脂短切碳纤维定量铺放复合材料层间增强

增材制造用PLA/连续碳纤复合材料力学性能

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工程塑料应用 2019年第8期47卷 91-95页

作者：张肖男单忠德范聪泽刘晓军闫东东机械科学研究总院集团有限公司先进成形技术与装备国家重点试验室

为提高连续纤维复合材料增材制造后的力学性能,通过连续纤维丝材成型机制备连续碳纤维增强聚乳酸(PLA)复合丝材,采用3D打印的方式成型测试样件,研究了打印间距、打印温度、层厚三个工艺参数对复合材料拉伸和弯曲强度的影响。试验表明,... 详细信息

为提高连续纤维复合材料增材制造后的力学性能,通过连续纤维丝材成型机制备连续碳纤维增强聚乳酸(PLA)复合丝材,采用3D打印的方式成型测试样件,研究了打印间距、打印温度、层厚三个工艺参数对复合材料拉伸和弯曲强度的影响。试验表明,打印间距和层厚对样件的拉伸、弯曲强度影响较大,而打印温度对样件的拉伸、弯曲强度影响较小。在打印温度230℃、层厚0.9 mm时,样件的拉伸和弯曲强度随着打印间距(0.50~1.10 mm)的增大先增加后降低;在打印温度220℃、打印间距0.65 mm时,样件的拉伸和弯曲强度随着层厚(0.8~1.2 mm)的增大而逐渐降低;在打印间距0.65 mm,层厚0.9 mm时,样件的拉伸强度随着打印温度(200~240℃)增大而增大,弯曲强度随着打印温度(200~240℃)的增大先增加后降低。

关键词：连续碳纤维聚乳酸复合材料纤维增强 3D打印力学性能