大规模增材制造聚合物复合材料沉积颗粒中微空洞发展的仿真

尽管挤出沉积增材制造技术不断取得技术进步，但仍存在对该技术中过程-结构-性能关系充分理解的显著知识缺口。对聚合物熔体流动挤出过程建模对于理解熔体在沉积颗粒中固有微结构的发展至关重要，尤其是微空洞的形成和增长，这显著影响结果材料的性能和部件性能。当前研究提出一种基于计算的方法，用于探讨过程诱导的微空洞及其对打印性能的影响。我们开发了多尺度有限元分析 (FEA) 仿真工具，以预测聚合物熔体过程中的全局和局部流场，以探讨促进沉积颗粒微结构中微空洞发展的潜在机制，特别是应力集中处（如悬浮纤维尖端）以及诸如喷嘴出口后死膨胀区等流向突然变化处的低压区域。该研究还探讨了可能影响这些微空洞增长和发展的因素，如悬浮粘度和剪切稀薄聚合物熔体流变学、增强颗粒的大小和几何形状等。此外，本研究提出了一种定量和表征打印颗粒中微空洞的方法，并评估其对有效材料性能的影响。减少颗粒孔隙率的直接意义是开发高质量功能部件，这些部件广泛应用于轻质高强度完整性复合材料，尤其是在汽车、航空、可再生能源和国防产业中。