مواد و ساخت پیشرفته

با پیشرفت فنّاورانه و ظهور مواد جدید، چاپ سه‌بعدی به یکی از سریع‌ترین و وسیع‌ترین توسعه‌های فنّاورانه در زمینه‌های مختلف صنعت از قبیل هواپیمایی، صنعت خودرو، معماری، هنرهای دیجیتال و غیره تبدیل شده است. علاوه بر آن نشان داده شده است چاپ سه‌بعدی کامپوزیت‌های پلیمر-الیاف یک الگوی ساخت قوی برای تولید قطعات با خواص مکانیکی بهبود یافته در مقایسه با پلیمرهای غیر تقویت شده است. پلیمرهای تقویت شده با الیاف به خاطر خواص مکانیکی عالی آنها در محدوده وسیعی از کاربردها استفاده می‌شوند.
به‌طورکلی دو نوع از الیاف کربنی می‌تواند در چاپ مواد کامپوزیتی استفاده شود: الیاف کربنی اشباع‌نشده یا آغشته نشده (آغشته سازی در هد دستگاه چاپ انجام می‌شود) و الیاف کربنی از قبل آغشته شده. هر دو روش مزایا و معایب خاص خود را دارد. به‌عنوان مثال مرحله اضافی آغشته سازی زمان زیادی می‌برد در حالیکه الیاف کربنی آغشته نشده نیاز به شرایط مناسب آغشته سازی در هد دستگاه چاپ دارند. به‌هرحال علیرغم تعداد زیادی تحقیقات در این زمینه، تاکنون تاثیر چگونگی آغشته سازی و آماده‌سازی الیاف کربنی روی خواص کامپوزیت‌های ساخته شده به روش چاپ سه‌بعدی نشان داده نشده بود.
ولی اخیرا در یک کار تحقیقاتی آغشته سازی الیاف کربنی تشکیل دهنده کامپوزیت‌های پیوسته بررسی شده است. هدف از این تحقیق بررسی تاثیر فرایند آغشته سازی الیاف کربنی روی خواص مکانیکی ساختارهای کامپوزیتی چاپ سه‌بعدی شده است. در این کار تحقیقاتی ابتدا هد دستگاه چاپ سه‌بعدی و وسیله آغشته سازی الیاف کربنی طراحی و تولید شده است. سپس سه ماده پلیمری مختلف شامل PLA، PC و ABS و حلال کلرید متیلن (DCM) انتخاب شده و محلول‌های با غلظت‌های متفاوت از 2 درصد تا 10 درصد آماده شده است. بعد از آن دو الیاف کربنی 1 و 3K با محلول‌ها آغشته شدند و نهایتا تست‌های کشش روی الیاف کربنی آغشته شده با محلول‌ها انجام شد. نتایج آنالیز در این تحقیقات نشان داد که ارتباط بسیار قوی بین نیروی کششی الیاف کربنی آغشته شده و جرم الیاف کربنی آغشته شده وجود دارد.در این آزمایش‌های برای چاپ سه‌بعدی، الیاف کربنی 1 و 3K آغشته شده در محلول‌های 8 درصد و 10 درصد انتخاب شد. تست‌های کششی برای ارزیابی خواص مکانیکی ساختارهای کامپوزیتی چاپ سه‌بعدی شده انجام شد. نتایج به‌دست‌آمده وابستگی بین غلظت محلول و استحکام کششی را نشان داد. به‌عبارت‌دیگر الیاف کربنی آغشته شده با محلول غلظت بالاتر، استحکام کششی بالاتری از خود نشان می‌دهد. البته این نتیجه وقتی برقرار است که الیاف کربنی 3K به PLA و PLC آغشته باشد. اما وقتی الیاف کربنی به محلول ABS آغشته باشد، تغییر در نتایج چندان معنادار نیست. نتایج به‌دست‌آمده در این تحقیق می‌تواند برای توسعه‌های بعدی چاپ سه‌بعدی ساختارهای کامپوزیتی مختلف استفاده شود.
منبع:
Processing of carbon fiber for 3D printed continuous composite structures, Materials and Manufacturing process, DOI: 10.1080/10426914.2019.1655152