《Materials & Design》：Applying additively manufactured lattice structures in injection overmoulding to produce high-performance hybrid components
编辑推荐：
采用增材制造点阵结构应用于注塑包覆成型以生产高性能混合部件。本研究使用立体光固化（SLA）打印的注塑模具镶件进行包覆成型试验。通过熔融长丝 fabrication（FFF）打印了肋条、网格和螺旋曲面增强镶件。高速相机监测揭示了随几何形状变化的型腔填充行为。混合
采用增材制造点阵结构应用于注塑包覆成型以生产高性能混合部件。本研究使用立体光固化（SLA）打印的注塑模具镶件进行包覆成型试验。通过熔融长丝 fabrication（FFF）打印了肋条、网格和螺旋曲面增强镶件。高速相机监测揭示了随几何形状变化的型腔填充行为。混合部件的刚度最高提升74%，冲击强度最高提升107%。本研究聚焦于将FFF打印的碳纤维增强PA6.6点阵增强结构应用于注塑包覆成型。研究人员将聚丙烯（PP）包覆成型到具有不同点阵几何形状的增强结构上，并分析了不同增强几何形状对混合结构准静态、动态和热机械行为的影响。研究人员还采用了在线过程监测方法来研究增材制造模具镶件的操作变形、热行为和填充特性。模具镶件由Formlabs Clear V5树脂通过SLA打印制成。增强镶件由eSun PA-CF长丝通过FFF打印制成，该材料为PA6.6基体，含有20%碳纤维。研究人员设计了五种不同的增强镶件几何形状：相对密度为25%和35%的两种网格结构、相同密度的两种螺旋曲面结构，以及一种专为弯曲设计的带纵向肋条的平板镶件。包覆成型试验使用专用聚丙烯均聚物（Tipplen H145F）进行，采用时间切换和压力限制的注射成型工艺。研究结果显示，网格25%镶件在准静态弯曲测试中表现最佳，与纯PP试样相比，弯曲模量提高了74%，常规挠度应力提高了38%。肋条镶件在Charpy冲击测试中表现出最佳的动态性能，冲击强度提高了107%。动态力学分析（DMA）表明，网格25%混合结构在25°C时储能模量比纯PP高28%，在150°C时差异增大至86%。高速相机监测显示，更复杂的增强几何形状导致填充时间更长，并产生更多的气穴和熔接线。操作应变测量表明，增强镶件增加了模具镶件的操作变形，而更高的填充密度导致更大的变形。热成像测量显示，增强镶件对聚合物模具的热状态没有显著影响。三维扫描验证了SLA打印模具镶件的尺寸稳定性，并在注射成型系列测试后确认了其残余变形主要局限于型腔表面。光学显微镜分析揭示了不同混合结构的断裂机制，肋条结构表现出较大的韧性裂纹扩展区域，而网格和螺旋曲面结构显示出较大的脆性断裂区域，部分试样中观察到气穴。统计分析（单因素方差分析和Tukey HSD事后检验）证实，肋条镶件和两种网格镶件在弯曲模量、常规挠度应力和冲击强度方面均显著提高了力学性能，而螺旋曲面镶件除35%填充密度的冲击强度外，未引起统计显著性差异。该研究证明了将增材制造点阵结构嵌入注塑包覆成型混合部件的可行性，并为轻量化工程应用中注塑部件的局部增强提供了新途径。
**论文解读：增材制造点阵结构增强注塑包覆成型混合部件的研究**
**1. 研究背景与问题**
增材制造（AM）技术的出现使得零件和模具的快速定制化生产成为可能。在模具制造领域，光固化（SLA）、材料喷射（MJ）和数字光投影（DLP）等树脂基增材技术已被用于打印注塑模具镶件，尤其在微注塑成型中展现出优势。先前研究表明，聚合物模具的低热导率虽导致产品固化较慢，但能降低最大注射压力并减少压力过冲，使工艺更稳定。同时，点阵结构在注塑领域也得到了应用，例如作为混合连接中的增强嵌件，或用于制造轻量化模具及随形冷却通道。
然而，目前文献中缺乏对“注塑包覆成型工艺行为、在线过程监测与增材制造点阵结构增强的混合部件力学性能”的综合研究。现有工作或单独研究增材模具的工艺稳定性，或单独评估点阵增强结构的静力学性能，很少将二者结合，也未系统分析不同点阵几何形状对填充流动、模具受力和最终产品准静态、动态及热机械性能的耦合影响。此外，点阵结构的相对密度（填充率）对成型过程和力学性能的影响规律尚不明确。
**2. 研究目的与意义**
本研究旨在将熔融长丝 fabrication（FFF）打印的碳纤维增强PA6.6点阵结构作为增强镶件，应用于聚丙烯（PP）的注塑包覆成型中，并系统分析不同增强几何形状对混合部件性能的影响。该研究的意义在于：首次联合考察了增材制造点阵增强镶件在注塑过程中的在线可监测性、可制造性以及最终混合结构的静态、动态和热机械性能，为轻量化工程中注塑部件的局部定向增强提供了新思路和实验数据支撑。
**3. 研究开展的内容与主要结论概述**
研究人员制备了SLA打印的注塑模具镶件（Formlabs Clear V5树脂），并配备了应变片、热电偶和高速相机以实现工艺在线监测。使用FFF打印了五种PA6.6 CF20增强镶件：肋条、网格（25%和35%填充率）、螺旋曲面（25%和35%填充率）。将PP包覆成型到这些镶件上，并对混合试样进行了三点弯曲、Charpy冲击、动态力学分析（DMA）、光学显微镜观察和三维扫描。结果表明：网格25%镶件使弯曲模量提高74%，肋条镶件使冲击强度提高107%；DMA显示网格25%混合结构在150°C时储能模量比纯PP高86%。研究证明了该混合工艺的可行性及点阵几何对力学性能的显著影响。
**4. 主要关键技术方法**
本研究采用了以下关键技术方法：①SLA立体光固化打印模具镶件，并使用三维扫描（GOM ATOS Core 5M）检测打印态和固化态尺寸精度；②FFF熔融长丝 fabrication打印碳纤维增强PA6.6点阵镶件（eSun PA-CF，20%碳纤维，打印温度290°C，打印平台温度100°C）；③在注塑模具中集成应变片（KMT-LIAS-06-3-350-5EL）和热电偶（Ahlborn NiCr-Ni），配合高速相机（Keyence VW-9000）在线监测模具操作变形、表面温度和熔体填充过程；④采用时间切换和压力限制的注塑工艺参数控制方法（Arburg Allrounder 470E注塑机）；⑤使用Autodesk Moldflow软件进行初步流动模拟和镶件变形（Core Shift）预测，并与高速相机观测结果进行定性对比。
**5. 研究结果**
**5.1 SLA打印注塑模具的尺寸精度**
三维扫描显示，打印态模具镶件最大尺寸偏差出现在背面，经后固化后偏差减小。固化后的镶件夹紧面最大偏差为?0.19 mm至+0.12 mm，侧面偏差为?0.03 mm至+0.06 mm，保证了合模紧密性，防止飞边产生。结果证实Clear树脂具有良好的尺寸稳定性，适用于快速模具制造。
**5.2 不同增强镶件上的包覆成型试验**
操作应变测量表明：与无增强镶件相比，肋条镶件使模具镶件的操作应变增大了近十倍（从0.025%±0.004%升至0.23%±0.003%），原因是自由型腔体积减小。较高的填充密度导致更高的应变（网格35%为0.22%±0.003%，网格25%为0.19%±0.004%；螺旋曲面35%为0.20%±0.002%，螺旋曲面25%为0.18%±0.002%）。应变曲线形状受注射压力切换影响：当达到300 bar注射压力上限时，应变在填充后急剧下降。热成像监测显示，由于树脂热导率低，热量集中在型腔表面，需在循环间设置200秒空闲时间并用压缩空气冷却，使型腔表面温度控制在79–86°C之间（低于玻璃化转变温度95°C）。高速相机观察到填充时间随几何复杂度增加而延长：肋条为1.1秒，网格35%为1.7秒，螺旋曲面35%为2.1秒。复杂几何导致熔体前沿多次分裂和重组，形成气穴和熔接线，这些位置成为薄弱点。Moldflow模拟预测的螺旋曲面35%镶件变形与高速成像观察定性吻合。
**5.3 FFF打印-包覆成型混合工艺的可扩展性**
注射成型循环时间为267秒（含200秒空闲时间），主要受聚合物模具冷却限制。FFF打印单个增强镶件的时间为312–437秒（肋条312秒，网格25%为354秒，网格35%为431秒，螺旋曲面25%为334秒，螺旋曲面35%为437秒），与注射循环时间相当。FFF打印设备成本低、易维护，多台FFF打印机能同时服务一台注塑机，因此该混合工艺可扩展到中批量生产范围（使用金属模具时可达数千件），适用于功能原型、小批量定制件和高附加值承载部件的生产。
**5.4 混合结构的力学与热机械表征**
**5.4.1 三点弯曲测试**
网格25%镶件达到最高弯曲模量（2563 MPa，比纯PP的1472 MPa提高74%），肋条镶件达到最高常规挠度应力（54.6 MPa，比纯PP的37.3 MPa提高46%）。这两种几何结构在弯曲试样受拉侧外表面均有材料分布，增强了最外层承载区域。螺旋曲面镶件的增强效果有限（25%填充率刚度提高14%，35%填充率仅提高2%），归因于其开孔结构更适合能量吸收而非抵抗准静态载荷。值得注意的是，提高填充密度并未提高强度，反而可能降低性能（网格35%性能低于网格25%），因为更致密的结构导致填充困难并增加熔接线和气穴数量。
**5.4.2 Charpy冲击测试**
肋条镶件将冲击强度从纯PP的24.4 kJ/m2提高至50.5 kJ/m2，增加107%。螺旋曲面25%镶件的冲击强度为18.3 kJ/m2，优于网格25%（11.3 kJ/m2）和网格35%（12.3 kJ/m2），表明开孔结构更适用于冲击载荷。网格25%镶件的断裂面较复杂，与较大胞格尺寸有关。冲击性能的差异主要归因于PP基体与PA6.6 CF20增强件之间的化学不相容性及界面结合弱。
**5.4.3 动态力学分析（DMA）**
网格25%镶件在25°C时储能模量比纯PP高28%（1613 MPa对1263 MPa），在125°C时高42%，在150°C时高86%（193 MPa对104 MPa）。网格35%和肋条镶件也显著提高了高温下的模量。损耗因子曲线未显示明显相变，因为分析温度范围高于PP的玻璃化转变温度但低于熔点。DMA证明点阵增强结构能显著提高混合部件的热机械性能，使其适用于更高温度环境。
**5.4.4 统计分析**
单因素方差分析（ANOVA）显示，弯曲模量（F=49.08）、常规挠度应力（F=67.62）和冲击强度（F=35.01）的组间差异均显著（p<0.001，F临界值为2.62）。Tukey HSD事后检验表明：肋条和两种网格镶件使所有三项力学性能均显著提高；螺旋曲面25%镶件无显著差异，螺旋曲面35%仅冲击强度存在显著差异（但为负向作用）。
**5.4.5 光学显微镜**
断裂面分析显示：肋条结构具有较大的韧性裂纹扩展区，表明其韧性较高；网格和螺旋曲面结构显示较大的脆性断裂区，与增强结构体积对应，表明界面粘附较差。螺旋曲面25%试样可观察到一个大面积气穴，螺旋曲面35%试样存在多个小气穴，这些气穴作为应力集中源降低了强度。所有试样均未发现界面空隙，说明PP填充良好。
**5.4.6 注塑系列后模具镶件的尺寸精度**
注塑系列后三维扫描显示，残余变形主要集中于型腔表面（+0.43 mm至?0.22 mm），这是周期性压力和热载荷作用的结果。扇形浇口区域无明显残余变形，证明浇口设计合理。夹紧面出现轻微残余变形（最大+0.21 mm和+0.19 mm）。总体而言，镶件在系列注塑后仍能保证足够的制品尺寸精度。
**6. 讨论与结论**
讨论部分指出，点阵增强结构的设计需要在增强效果与成型质量之间做出权衡。复杂的几何形状虽能提供更高刚度，但会延长填充时间并引入气穴和熔接线，削弱基体材料。提高填充密度并不总是有益的，因为可制造性受限。螺旋曲面结构的开孔特性更适用于动态载荷，但其静态增强效果差。PP与PA6.6的化学不相容性是影响界面强度的关键因素，限制了所有增强几何形状的充分强化作用。Moldflow模拟可用于预先识别缺陷位置，但未来需要进行系统性的仿真驱动优化。
研究结论总结如下：本研究提出了在增材制造纤维增强热塑性点阵增强镶件上进行注塑包覆成型的新概念。具体结论包括：(1) SLA打印模具镶件适用于快速模具制造，尺寸精度满足要求；(2) 增强镶件增加了模具操作变形，较高填充密度导致更高变形；(3) 增强几何不影响聚合物模具的热状态；(4) 更复杂的几何和更高填充率导致更慢的填充和更多缺陷；(5) 网格25%镶件在弯曲载荷下表现最佳，弯曲模量提高74%，常规挠度应力提高38%；(6) 肋条镶件在冲击载荷下表现最佳，冲击强度提高107%；(7) DMA证明网格25%混合结构在150°C时刚度比纯PP高86%，扩大了部件应用温度范围；(8) 混合点阵结构为注塑部件的局部增强提供了新机会。未来工作将聚焦于增强几何形状的优化、基体与增强结构之间界面粘附的改进，以及具有更高能量吸收能力的轻质点阵增强结构的增材制造。
