落锤冲击试验机优化3D打印蜂窝结构的力学性能分析

随着增材制造技术的飞速发展，3D打印技术在航空航天、汽车、建筑和医疗等多个领域得到了广泛应用。熔融长丝制造（FFF）作为3D打印技术的重要分支，因其简单易行、能够制造复杂几何形状的功能部件，展现出巨大的发展潜力。近年来，连续碳纤维增强热塑性复合材料因其优异的力学性能、易加工性和可回收性，在工业应用中越来越受重视。然而，目前对连续碳纤维增强3D打印件的冲击性能研究相对较少，尤其是在复杂结构如蜂窝结构中的应用研究仍处于探索阶段。

蜂窝结构作为一种典型的轻量化结构，因其高比强度和优异的力学性能，在航空航天和汽车领域具有重要应用价值。然而，蜂窝结构在实际使用中往往需要承受冲击载荷，如碰撞或坠落等，因此研究其在冲击载荷下的力学响应和失效模式具有重要意义。

落锤冲击测试作为一种经典的力学性能测试方法，能够有效评估材料或结构在冲击载荷下的性能表现，为优化设计和工艺参数提供重要依据。本文科准测控小编将聚焦于连续碳纤维增强3D打印蜂窝结构的落锤冲击性能，通过实验和有限元模拟相结合的方法，深入探究其在冲击载荷下的力学响应和失效模式。

一、测试原理

落锤冲击测试是一种常见的力学性能测试方法，用于评估材料或结构在冲击载荷下的力学响应和失效模式。其基本原理是通过让具有一定质量的冲击器从一定高度自由落体冲击试样，测量冲击过程中试样所承受的冲击力、能量吸收以及变形情况等参数，从而评估试样的抗冲击性能。在本研究中，通过落锤冲击系统对连续碳纤维增强3D打印蜂窝结构进行冲击测试，研究其在不同冲击能量下的力学响应和失效模式，为优化3D打印工艺参数、提高复合材料结构的冲击韧性提供理论依据和技术支持。

二、测试相关标准

ASTM D7136/D7136M-19标准规定了使用落锤冲击试验机对聚合物基复合材料进行冲击试验的方法，适用于测定复合材料层压板的耐冲击性能。

此外，ISO 6603-1:2006和ISO 6603-2:2006标准也对塑料材料的冲击性能测试提供了指导，分别适用于不同类型的冲击试验设备和试验方法。

三、测试仪器

1、KZ-ITM-6350落锤冲击试验机

A、设备介绍

该试验机主要用于检测材料在动负荷下冲击性能、抗冲击性能及试样的损坏。试验方法是弹簧加速冲击，测量试样在冲击过程中的受力和变形，观察试样损坏情况，例如试样挠曲、开裂和断裂。能够通过软件数据分析，得到冲击力、冲击能量、冲击速度、材料吸收能量及损伤耗散能量、损伤临界点。

四、测试流程

步骤一、试样制备：选择1K连续碳纤维（HTA 40, Toho Tenax Co., Ltd, Japan）作为增强相，PLA（FlashForge, Hangzhou, Zhejiang, China）作为基体，按照设定的工艺参数（H=0.3mm; W=1.5mm; T=210℃; V=100mm/min-1; Tp=50℃）制备蜂窝结构样件。

步骤二、试样安装：将制备好的蜂窝结构试样安装在落锤冲击系统的测试平台上，确保试样与冲击器的接触面平整且垂直于冲击方向。

步骤三、测试参数设置：根据研究需求，设置不同的冲击能量级别，通过调整冲击器的下落高度来实现。同时，设置数据采集系统的采样频率和记录时间，以确保能够准确记录冲击过程中的力学响应。

步骤四、冲击测试：启动落锤冲击系统，让冲击器从设定高度自由落体冲击试样，记录冲击过程中的力-时间曲线和能量-时间曲线。

步骤五、结果记录与分析：测试完成后，通过数据采集系统获取冲击力、能量吸收、变形等参数，分析试样的力学响应和失效模式。同时，利用有限元仿真模型对实验结果进行验证和补充分析，深入探究连续碳纤维增强3D打印蜂窝结构在冲击载荷下的力学行为。

步骤六、对比实验：为了更好地展示连续碳纤维增强蜂窝的抗冲击性能，将增强蜂窝与未增强蜂窝的实验结果进行对比，保持蜂窝结构相对密度一致，分析连续碳纤维增强对蜂窝结构抗冲击性能的提升效果。

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