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在熔融長絲制造過程中，打印壓力是影響層間粘接質量和最終構件力學性能的關鍵工藝參數(shù)，然而其生成機制與分布規(guī)律長期以來缺乏直接、準確的表征方法?，F(xiàn)有模型多基于等溫或牛頓流體假設，難以真實反映非等溫、非牛頓性的材料沉積過程。 為解決以上問題，同濟大學的研究團隊在Composites Science and Technology發(fā)表了相關研究成果。該研究通過構建高保真計算流體動力學模型，并結合高精度力監(jiān)測平臺，系統(tǒng)揭示了打印壓力的產(chǎn)生機理及其對微觀結構與力學性能的調控作用。論文標題為”Understanding printing pressure on the mechanical performances of 3D printed thermoplastic composites: modelling and experiments”。   為精確模擬打印過程中的熱-流耦合行為，該研究構建了一個非等溫、非牛頓流體的CFD模型，采用VOF方法追蹤熔體與空氣界面，并引入Cross模型結合Arrhenius定律描述材料黏度隨剪切速率與溫度的變化關系。模型通過設置噴嘴進口速度與平臺移動速度的匹配關系，模擬材料從擠出、撞擊到鋪展的全過程。在數(shù)值求解方面，計算域采用六面體結構化網(wǎng)格，最小尺寸為20微米，確保在沉積區(qū)捕捉到顯著的熱梯度與界面動態(tài)。 為驗證模型準確性，研究團隊在打印平臺下方集成高精度力傳感器，實時監(jiān)測打印過程中的動態(tài)載荷。通過信號調理與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將電壓信號轉換為力值，并結合渦流位移傳感器補償平臺平面度誤差，提升測量可靠性。實驗系統(tǒng)在不同層高、溫度、速度與擠出比條件下采集數(shù)據(jù)，與模擬結果進行對比，最大偏差控制在13.4%以內，顯著優(yōu)于以往間接估算方法。 研究發(fā)現(xiàn)打印壓力主要由兩種機制貢獻：一是噴嘴對新生材料的壓縮作用，二是熔體撞擊平臺時的動量轉化產(chǎn)生的沖擊力。隨著層高從0.1 mm增至0.25 mm，平均打印壓力從0.115 MPa非線性下降至0.076 MPa，壓力分布形態(tài)由對稱圓形漸變?yōu)椴粚ΨQ傘形。提高打印溫度會降低材料黏度，削弱力傳遞能力，導致壓力每10 K下降約10%–12%。盡管提高打印速度會因剪切稀化降低黏度，但沖擊效應占主導，壓力仍顯著上升。在線寬調控方面，提高擠出比比增大噴嘴直徑更能有效提升壓力，如在0.5 mm線寬下，壓力從0.0636 MPa（0.5 mm噴嘴）提升至0.0704 MPa（0.4 mm噴嘴+125%擠出比），增幅達10.7%。 通過微CT圖像與空隙統(tǒng)計可見，沉積于平臺的樣件相比空中擠出的參考樣件空隙率大幅降低。當層高從0.2 mm降至0.1 mm時，內部空隙體積分數(shù)由4.4%降至0.63%，降幅達85.7%，同時 bead 間空隙也從8.32%降至4.67%，表明高壓有效促進了界面貼合與缺陷壓縮。層間拉伸試驗進一步顯示，在0.15 mm層高時層間強度最優(yōu)，過高或過低的層高會因冷卻速率與界面缺陷密度變化導致性能回落。
該模型明確了壓力通過壓縮空隙和擴大界面接觸提升打印質量的機制，SEM斷口顯示優(yōu)化壓力后斷面呈現(xiàn) bead 撕裂特征，印證層間結合增強；研究為工藝參數(shù)選擇提供定量依據(jù)，如追求強度需平衡層高與擠出比，避免過熱與變形，為高性能復合材料打印提供理論與實驗支持。  圖1 （a）打印力監(jiān)測系統(tǒng)示意圖；（b）用于補償構建平臺表面不平度的渦流傳感器示意圖  圖2 （a）沿構建方向打印板的尺寸；（b）參考ASTM D638-22的拉伸試樣；（c）單軸拉伸實驗設置  圖3 CFD模型示意圖  圖4 條件12下的模擬結果：（a）構建平臺上的壓力分布；（b）模擬前1.5秒內構建平臺上的載荷；（c）線寬直徑圓形區(qū)域內的歸一化打印壓力  圖5 隨層高增加，（a）打印壓力、（b）平臺壓力分布、（c）新生材料形狀與（d）速度分布的變化  圖6 隨打印溫度升高，（a）平臺壓力分布、（b）打印壓力與（c）新生材料黏度分布的變化  圖7 隨打印速度增加，（a）打印壓力、（b）平臺壓力分布、（c）黏度分布與（d）速度分布的變化  圖8 （a）不同打印線寬下的打印壓力；（b）不同擠出比下的壓力分布；（c）不同擠出比下沉積材料形狀差異  圖9 樣品的微CT圖像：（a）空中擠出；（b）0.2 mm層高打??；（c）0.1 mm層高打印 圖10 單軸拉伸試驗中層間斷裂形貌的SEM圖像 原始文獻： Ton |
