供稿人：李家骏、田小永 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-10-22
连续纤维增强聚合物复合材料（CFRPC）的增材制造技术主要采用材料挤出（MEX），因其简便和低成本而广泛使用。打印零件的机械性能受工艺参数和纤维布局影响，优化纤维分布对提升性能至关重要。现有研究多关注几何特征，而忽视了载荷路径的重要性。基于有限元分析（FEA）的设计方法，尤其是显式方法，通过流线跟踪技术直接确定打印路径，更易于实现制造约束。该研究开发了一种面向CFRPCs-AM的应力场感知填充打印路径生成方法，适用于复杂三维结构，通过物理实验验证了其在提高零件刚度和强度方面的有效性。
CFRPCs-AM的应力场感知填充打印路径生成方法如图1所示，过程包括七个主要阶段，总结如下：（a）在一定载荷和边界条件下通过有限元分析获得应力张量；（b）通过对应力张量进行特征值分解得到主应力和对应的方向场；（c）在生成填充打印路径之前，对方向字段进行预处理以获得更好的兼容性；（d）使用流线跟踪方法生成基于 PSL 的打印路径，并将间距映射到本地 PSV，修改打印路径以删除违反间距要求的打印路径；（e）将打印路径组合在一起，然后转换为用于打印的 G 代码；（f）使用3D打印机制造；（g）进行实验试验，以评价所制造复合材料的机械性能。
图1 CFRPCs-AM的应力场感知填充打印路径生成方法
该团队研究了设计参数对生成打印路径填充密度控制的影响，如图2所示，研究了两种情况：（a）保持β值常数并改变α值;（b）保持α值常数并改变β值。结果表明，在应力较高的区域，打印路径趋向于靠得更近，而在应力较低的区域则出现较大的间隙。这意味着该方法有效地将更多材料分配给重要区域。此外，很明显，等效密度或打印路径可能来自完全不同的设计参数集。
图2 使用不同填充打印路径的密度控制案例
实验测试结果显示，与传统的均匀打印路径相比，使用所提出的方法在刚度和强度方面有显著提高，如图3所示。与传统的均匀打印路径相比，使用自适应填充打印路径制造的试样的极限载荷几乎是其两倍，如图3（a）、（c）和（e）所示。同时，所提出方法的载荷-位移曲线比传统打印路径的斜率提高了约200-300%，如图3（b）、（d）和（f）所示。具体而言，与传统的均匀打印路径相比，刚度分别提高了 293.5%、243.1% 和 200.0%。强度分别提高38.1%、99.0%和156.0%。所提方法的试样刚度和强度受填充密度的强烈影响。如图3（b）和（f）所示，当纤维总长度从37000 mm（33.75%填充密度）变为53000 mm（53.75%填充密度）时，刚度和强度分别增加121.4%和184.0%。这证明了自适应填充打印路径方法通过填充打印路径和密度修改来增强复合材料机械性能的有效性。
图3 实验研究了使用所提出的方法与传统均匀打印路径相比，在不同总纤维长度方面的印刷复合材料
（a-b）纤维长度 = 37000 mm;（c-d）纤维长度 = 45000 mm;（e- f）纤维长度 = 53000 mm