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連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRTPCs)的3D打印技術(shù)為制備輕量化、高性能的多尺度結(jié)構(gòu)提供了新的技術(shù)途徑，其特點(diǎn)是可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)微觀纖維取向與宏觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本研究提出了一種纖維取向與結(jié)構(gòu)形態(tài)并行優(yōu)化的連續(xù)纖維復(fù)合材料多尺度設(shè)計(jì)制造策略，對MBB梁和懸臂梁進(jìn)行了3D打印制備與力學(xué)性能測試，并與單尺度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。MBB梁的結(jié)構(gòu)剛度和峰值荷載分別提高了36.27%和64.43%，懸臂梁的結(jié)構(gòu)剛度和峰值荷載分別提高了123.07%和52.16%。多尺度并行設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)可以充分發(fā)揮連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的各向異性力學(xué)性能，從而發(fā)掘連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的潛力。
CFRTPCs的多尺度設(shè)計(jì)制造策略如圖1所示，以MBB梁為例進(jìn)行說明?？紤]到連續(xù)纖維復(fù)合材料的各向異性特性，基于復(fù)合材料本構(gòu)模型與特定工況條件，對纖維取向和結(jié)構(gòu)拓?fù)溥M(jìn)行了并行優(yōu)化，獲得了具有宏觀拓?fù)鋷缀翁匦院臀⒂^單元最優(yōu)纖維取向的并行優(yōu)化結(jié)果。為保證纖維軌跡的連續(xù)性，對并行優(yōu)化結(jié)果中的離散單元纖維取向進(jìn)行了修正。同時(shí)，提出了一種基于哈密頓路徑的纖維軌跡設(shè)計(jì)方法，為3D打印路徑規(guī)劃提供了指導(dǎo)。最后，基于以上方法生成具有連續(xù)纖維軌跡的3D打印路徑，實(shí)現(xiàn)了CFRTPCs各向異性的優(yōu)勢，滿足了3D打印工藝的要求。
圖1 設(shè)計(jì)與制造策略
CFRTPCs構(gòu)件通過陜西斐帛科技有限公司的FDM 3D打印機(jī)進(jìn)行制備，如圖2所示，通過基體材料可調(diào)節(jié)進(jìn)給在熱端噴嘴內(nèi)與連續(xù)纖維進(jìn)行在線浸漬和擠壓成型。
圖2 3D打印示意圖
基于FDM 3D打印，對MBB梁進(jìn)行了制備，如圖3所示。在不考慮微觀纖維取向的情況下，對CFRTPCs的單尺度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化。同時(shí)，在相同設(shè)計(jì)與工藝條件下，采用維軌跡和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并行優(yōu)化的方法制備了多尺度MBB梁。
圖3 3D打印MBB梁構(gòu)件：單尺度結(jié)構(gòu)（左），多尺度結(jié)構(gòu)（右）
性能測試如圖4所示，分析結(jié)果表明，MBB梁多尺度結(jié)構(gòu)剛度為541.77 N/mm，明顯高于單尺度結(jié)構(gòu)的397.56 N/mm。多尺度結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較單尺度結(jié)構(gòu)有顯著提高，最大承載力分別為1406.44 N和855.35 N。因此，優(yōu)化后的變方向纖維軌跡可以極大地利用CFRTPCs在力學(xué)性能方面的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)更高的承載性能。
圖4 MBB梁實(shí)驗(yàn)結(jié)果
基于多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造策略，制備了懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖5所示。同時(shí)，制備了以直線纖維為打印路徑的單尺度懸臂梁，并其進(jìn)行了力學(xué)性能測試對比分析。如圖6所示，優(yōu)化微纖維取向在多尺度設(shè)計(jì)中表現(xiàn)出更高的剛度和強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)剛度為184.96 N /mm，最大承載力為734.35 N。相比之下，單尺度設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)剛度的82.92 N /mm，最大承載力為482.62 N。
圖5 3D打印懸臂梁構(gòu)件：單尺度結(jié)構(gòu)（左），多尺度結(jié)構(gòu)（右）
圖6 懸臂梁實(shí)驗(yàn)結(jié)果
通過多尺度并行設(shè)計(jì)方法，對MBB梁和懸臂梁進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)、3D打印與性能評估，并與單尺度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。MBB梁的結(jié)構(gòu)剛度和最大承載力分別提高了36.27%和64.43%，懸臂梁的結(jié)構(gòu)剛度和最大承載力分別提高了123.07%和52.16%。因此，多尺度并行設(shè)計(jì)和3D打印可以充分發(fā)揮連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)越性能，在航空、航天、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用前景。
研究團(tuán)隊(duì)自2014年率先開展連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印研究，先后獲得了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等多個(gè)項(xiàng)目的資助，共發(fā)表論文34篇，其中SCI論文24篇，ESI收錄論文3篇，累計(jì)他引998次，最高單篇他引365次（Web of science 核心庫），獲2019年《Composite Part A》期刊最高被引論文獎(jiǎng)、《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》第五屆優(yōu)秀論文獎(jiǎng)；培養(yǎng)博士3名、碩士5名，出版《纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料增材制造技術(shù)》專著1部；獲授權(quán)發(fā)明專利17件，授權(quán)實(shí)施2件，技術(shù)轉(zhuǎn)讓10件；入選2020年“科創(chuàng)中國”榜單-先導(dǎo)技術(shù)（裝備制造領(lǐng)域十項(xiàng)技術(shù)之一），獲得2021年度制造類SAMPE中國創(chuàng)新獎(jiǎng)（復(fù)合材料制造類唯一獲獎(jiǎng)項(xiàng)目）。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.115241
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