Carbon fiber reinforced composite materials produced using FDM technology
https://doi.org/10.35164/0554-2901-2025-02-16-19
Abstract
The study presents the results of assessing the effect of material flow compensation factor and fiber placement during FDM printing using continuous carbon fiber impregnated with PA-6 thermoplastic melt on the physical and mechanical properties of printed composites. The influence of the laid structures of continuous carbon fiber and the hardness of the fi lament material on interlayer adhesion under shear loading and tearing conditions has been established. The obtained data were used for simulations using the APM FEM software to estimate the von Mises equivalent stress. The results show that increasing the material flow compensation factor when printing a layer on the fiber surface to 105% can improve the bond strength of carbon fiber with thermoplastic polyurethane.
About the Authors
E. S. Bochkarev
Volgograd State Technical University
Russian Federation
Russian Federation
Volgograd
A. V. Drobotov
Volgograd State Technical University; Stereotech LLC
Russian Federation
Russian Federation
Volgograd
I. S. Torubarov
Volgograd State Technical University; Stereotech LLC
Russian Federation
Russian Federation
Volgograd
A. N. Dynin
Volgograd State Technical University
Russian Federation
Russian Federation
Volgograd
O. O. Tuzhikov
Volgograd State Technical University
Russian Federation
Russian Federation
Volgograd
M. A. Vaniev
Volgograd State Technical University
Russian Federation
Russian Federation
Volgograd
References
1. Симамура, С. Углеродные волокна / под ред. С. Симамуры; пер. с яп. канд. физ.-мат. наук Ю.М. Товмасяна под ред. канд. техн. наук Э.С. Зеленского. М.: Мир, 1987. 304 с.
2. Симонов-Емельянов И.Д., Шалгунов С.И. Построение структур армированных полимерных композиционных материалов в обобщенных и приведенных параметрах, свойства и методы переработки в изделия // Пластические массы. 2022. №1–2. С. 5–9. DOI: 10.35164/0554-2901-2022-1-2-5-9.
3. Ефремов А.А., Кульков А.А., Даштиев И.З. Исследование технологических параметров изготовления полимерного композиционного материала на основе арамидных волокон и полиуретановых связующих методом мокрой намотки // Пластические массы. 2023. №7–8. С. 12–17. DOI: 10.35164/0554-2901-2023-7-8-12-17.
4. Chacon J.M., Caminero М.А. et al. Additive manufacturing of continuous fibеr reinforced thermoplastic composites using fused deposition modelling: effect of process parameters on mechanical properties // Compos. Sci. Technol. 2019. V. 181. P. 107688. DOI: 10.1016/j.compscitech.2019.107688.
5. Александрова Д.С., Богдановская М.В., Егоров А.С., Выгодский Д.С. Создание новых композиционных материалов для 3D-печати на основе полиимидных связующих и непрерывного углеродного волокна // Труды Крыловского государственного научного центра. 2021. №S2. С. 97–107. DOI:10.24937/2542-2324-2021-2-S-I-97-107.
6. Wei C. Qiuju Zhang, Han Gao and Ye Yuan. Process Evaluation, Tensile Properties and Fatigue Resistance of Chopped and Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic Composites by 3D Printing // JRM. 2022. Vol. 10, N2. P. 329–358. DOI:10.32604/jrm.2022.016374.
7. Liu S., Li Y., Li N. A novel free-hanging 3D printing method for continuous carbon fiber reinforced thermoplastic lattice truss core structures // J. Materials and Design. 2017. N137. P. 235–244. DOI: 10.1016/j.matdes.2017.10.007.
8. Hao W., Ye L., Hao Z. et al. Preparation and characterization of 3D printed continuous carbon fiber reinforced thermosetting composites // J. Polymer Testing. 2018. N65. P. 29–34. DOI: 10.1016/j.polymer-testing.2017.11.004.
9. Hongyuan Z, Xiaodong Liu, Wei Zhao, Gong Wang, Bingshan Liu. An Overview of Research on FDM 3D Printing Process of Continuous Fiber Reinforced Composites // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series. 2019. V. 1213. P. 11. DOI:10.1088/1742-6596/1213/5/052037.
10. Торубаров И.С., Дроботов А.В., Плотников А.Л., Гущин И.А. Развитие технологии 3D печати с армированием непрерывным волокном // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2021. №8 (255). С. 81–86. DOI: 10.35211/1990-5297-2021-8-255-81-86.
11. Торубаров И.С., Дроботов А.В., Плотников А.Л. Исследование адгезии между матрицей и армированием из непрерывного углеволокна в аддитивной технологии послойного наплавления материала // СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2024. 674 c.
12. Kabir S.M.F, Mathur K., Seyam A.M. A critical review on 3D printed continuous fiber reinforced composites: history, mechanism, materials and properties // Composite Structures. 2019. Р. 56. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.111476.
13. Tian X., et al. Interface and performance of 3D printed continuous carbon fiber-reinforced PLA composites // Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2016. V. 88. P. 198–205. DOI: 10.1016/j.composite-sa.2016.05.032.
14. Oztan C., Karkkainen R., Fittipaldi M., et al. Microstructure and mechanical properties of three dimensional-printed continuous fibre composites // J. Compos. Mater. 2019. N53. P. 271–280. DOI:10.1177/0021998318781938
15. Klift F., Yoichiro K., Todoroki A., Ueda M. et al. 3D Printing of Continuous Carbon Fibre Reinforced Thermo-Plastic (CFRTP) Tensile Test Specimens // Open Journal of Composite Materials. 2016. N6. P. 18–27. DOI:10.4236/ojcm.2016.61003.
16. Ершов С.В., Кузнецов В.Б., Никифорова Е.Н., Суворов И.А., Козлова Н.Б., Калинин Е.Н. Численная параметризация структурной 3D геометрии армирующей компоненты композита на волокнистой капиллярно-пористой основе // Пластические массы. 2023. №9–10. С. 12–14. DOI: 10.35164/0554-2901-2023-9-10-12-14.
17. Злобина И.В., Бекренев Н.В., Егоров А.С., Алукаев Т.М. Влияние электрофизических воздействий на прочность при изгибе отвержденного монослоя, армированного непрерывным углеродным волокном // Пластические массы. 2023. №9–10. С. 21–25. DOI: 10.35164/0554-2901-2023-9-10-21-25.
18. Zhou S., Huang J., Zhang Q. Mechanical and tribological properties of polyamide-based composites modified by thermoplastic polyurethane // Journal of Thermoplastic Composite Materials. 2012. V. 27(1). P. 18–34. DOI:10.1177/0892705712439565.
Review
For citations:
Bochkarev E.S., Drobotov A.V., Torubarov I.S., Dynin A.N., Tuzhikov O.O., Vaniev M.A. Carbon fiber reinforced composite materials produced using FDM technology. Plasticheskie massy. 2025;(2):16-19. (In Russ.) https://doi.org/10.35164/0554-2901-2025-02-16-19
Views:
1167
Email this article 
