供稿人：李家駿、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-10-22
連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（CFRPC）的增材制造技術(shù)主要采用材料擠出（MEX），因其簡(jiǎn)便和低成本而廣泛使用。打印零件的機(jī)械性能受工藝參數(shù)和纖維布局影響，優(yōu)化纖維分布對(duì)提升性能至關(guān)重要?，F(xiàn)有研究多關(guān)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(shè)計(jì)方法，尤其是顯式方法，通過(guò)流線(xiàn)跟蹤技術(shù)直接確定打印路徑，更易于實(shí)現(xiàn)制造約束。該研究開(kāi)發(fā)了一種面向CFRPCs-AM的應(yīng)力場(chǎng)感知填充打印路徑生成方法，適用于復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在提高零件剛度和強(qiáng)度方面的有效性。
CFRPCs-AM的應(yīng)力場(chǎng)感知填充打印路徑生成方法如圖1所示，過(guò)程包括七個(gè)主要階段，總結(jié)如下：（a）在一定載荷和邊界條件下通過(guò)有限元分析獲得應(yīng)力張量；（b）通過(guò)對(duì)應(yīng)力張量進(jìn)行特征值分解得到主應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的方向場(chǎng)；（c）在生成填充打印路徑之前，對(duì)方向字段進(jìn)行預(yù)處理以獲得更好的兼容性；（d）使用流線(xiàn)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(zhuǎn)換為用于打印的 G 代碼；（f）使用3D打印機(jī)制造；（g）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)所制造復(fù)合材料的機(jī)械性能。
圖1 CFRPCs-AM的應(yīng)力場(chǎng)感知填充打印路徑生成方法
該團(tuán)隊(duì)研究了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)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?chǔ)林?（b）保持α值常數(shù)并改變?chǔ)轮?。結(jié)果表明，在應(yīng)力較高的區(qū)域，打印路徑趨向于靠得更近，而在應(yīng)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(lái)自完全不同的設(shè)計(jì)參數(shù)集。
圖2 使用不同填充打印路徑的密度控制案例
實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)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(qiáng)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(yīng)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(shí)，所提出方法的載荷-位移曲線(xiàn)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(qiáng)度分別提高38.1%、99.0%和156.0%。所提方法的試樣剛度和強(qiáng)度受填充密度的強(qiáng)烈影響。如圖3（b）和（f）所示，當(dāng)纖維總長(zhǎng)度從37000 mm（33.75%填充密度）變?yōu)?3000 mm（53.75%填充密度）時(shí)，剛度和強(qiáng)度分別增加121.4%和184.0%。這證明了自適應(yīng)填充打印路徑方法通過(guò)填充打印路徑和密度修改來(lái)增強(qiáng)復(fù)合材料機(jī)械性能的有效性。
圖3 實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度方面的印刷復(fù)合材料
（a-b）纖維長(zhǎng)度 = 37000 mm;（c-d）纖維長(zhǎng)度 = 45000 mm;（e- f）纖維長(zhǎng)度 = 53000 mm