供稿人：李家駿、田小永 供稿單位：西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-10-22
連續(xù)纖維增強聚合物復合材料（CFRPC）的增材制造技術主要采用材料擠出（MEX），因其簡便和低成本而廣泛使用。打印零件的機械性能受工藝參數(shù)和纖維布局影響，優(yōu)化纖維分布對提升性能至關重要?，F(xiàn)有研究多關注幾何特征，而忽視了載荷路徑的重要性?；谟邢拊治觯‵EA）的設計方法，尤其是顯式方法，通過流線跟蹤技術直接確定打印路徑，更易于實現(xiàn)制造約束。該研究開發(fā)了一種面向CFRPCs-AM的應力場感知填充打印路徑生成方法，適用于復雜三維結構，通過物理實驗驗證了其在提高零件剛度和強度方面的有效性。
CFRPCs-AM的應力場感知填充打印路徑生成方法如圖1所示，過程包括七個主要階段，總結如下：（a）在一定載荷和邊界條件下通過有限元分析獲得應力張量；（b）通過對應力張量進行特征值分解得到主應力和對應的方向場；（c）在生成填充打印路徑之前，對方向字段進行預處理以獲得更好的兼容性；（d）使用流線跟蹤方法生成基于 PSL 的打印路徑，并將間距映射到本地 PSV，修改打印路徑以刪除違反間距要求的打印路徑；（e）將打印路徑組合在一起，然后轉換為用于打印的 G 代碼；（f）使用3D打印機制造；（g）進行實驗試驗，以評價所制造復合材料的機械性能。
圖1 CFRPCs-AM的應力場感知填充打印路徑生成方法
該團隊研究了設計參數(shù)對生成打印路徑填充密度控制的影響，如圖2所示，研究了兩種情況：（a）保持β值常數(shù)并改變α值;（b）保持α值常數(shù)并改變β值。結果表明，在應力較高的區(qū)域，打印路徑趨向于靠得更近，而在應力較低的區(qū)域則出現(xiàn)較大的間隙。這意味著該方法有效地將更多材料分配給重要區(qū)域。此外，很明顯，等效密度或打印路徑可能來自完全不同的設計參數(shù)集。
圖2 使用不同填充打印路徑的密度控制案例
實驗測試結果顯示，與傳統(tǒng)的均勻打印路徑相比，使用所提出的方法在剛度和強度方面有顯著提高，如圖3所示。與傳統(tǒng)的均勻打印路徑相比，使用自適應填充打印路徑制造的試樣的極限載荷幾乎是其兩倍，如圖3（a）、（c）和（e）所示。同時，所提出方法的載荷-位移曲線比傳統(tǒng)打印路徑的斜率提高了約200-300%，如圖3（b）、（d）和（f）所示。具體而言，與傳統(tǒng)的均勻打印路徑相比，剛度分別提高了 293.5%、243.1% 和 200.0%。強度分別提高38.1%、99.0%和156.0%。所提方法的試樣剛度和強度受填充密度的強烈影響。如圖3（b）和（f）所示，當纖維總長度從37000 mm（33.75%填充密度）變?yōu)?3000 mm（53.75%填充密度）時，剛度和強度分別增加121.4%和184.0%。這證明了自適應填充打印路徑方法通過填充打印路徑和密度修改來增強復合材料機械性能的有效性。
圖3 實驗研究了使用所提出的方法與傳統(tǒng)均勻打印路徑相比，在不同總纖維長度方面的印刷復合材料
（a-b）纖維長度 = 37000 mm;（c-d）纖維長度 = 45000 mm;（e- f）纖維長度 = 53000 mm