CFRTPCs的多尺度設計制造策略如圖1所示，以MBB梁為例進行說明?？紤]到連續(xù)纖維復合材料的各向異性特性，基于復合材料本構模型與特定工況條件，對纖維取向和結構拓撲進行了并行優(yōu)化，獲得了具有宏觀拓撲幾何特性和微觀單元最優(yōu)纖維取向的并行優(yōu)化結果。為保證纖維軌跡的連續(xù)性，對并行優(yōu)化結果中的離散單元纖維取向進行了修正。同時，提出了一種基于哈密頓路徑的纖維軌跡設計方法，為3D打印路徑規(guī)劃提供了指導。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 設計與制造策略

CFRTPCs構件通過陜西斐帛科技有限公司的FDM 3D打印機進行制備，如圖2所示，通過基體材料可調節(jié)進給在熱端噴嘴內與連續(xù)纖維進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的單尺度結構進行了拓撲優(yōu)化。同時，在相同設計與工藝條件下，采用維軌跡和拓撲結構并行優(yōu)化的方法制備了多尺度MBB梁。

圖3 3D打印MBB梁構件：單尺度結構（左），多尺度結構（右）

性能測試如圖4所示，分析結果表明，MBB梁多尺度結構剛度為541.77 N/mm，明顯高于單尺度結構的397.56 N/mm。多尺度結構強度較單尺度結構有顯著提高，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在力學性能方面的優(yōu)勢，實現(xiàn)輕量化結構更高的承載性能。

圖4 MBB梁實驗結果

基于多尺度結構設計與制造策略，制備了懸臂梁結構，如圖5所示。同時，制備了以直線纖維為打印路徑的單尺度懸臂梁，并其進行了力學性能測試對比分析。如圖6所示，優(yōu)化微纖維取向在多尺度設計中表現(xiàn)出更高的剛度和強度，結構剛度為184.96 N /mm，最大承載力為734.35 N。相比之下，單尺度設計的結構剛度的82.92 N /mm，最大承載力為482.62 N。

圖5 3D打印懸臂梁構件：單尺度結構（左），多尺度結構（右）

圖6 懸臂梁實驗結果

通過多尺度并行設計方法，對MBB梁和懸臂梁進行了優(yōu)化設計、3D打印與性能評估，并與單尺度結構進行了比較。MBB梁的結構剛度和最大承載力分別提高了36.27%和64.43%，懸臂梁的結構剛度和最大承載力分別提高了123.07%和52.16%。因此，多尺度并行設計和3D打印可以充分發(fā)揮連續(xù)纖維增強復合材料的優(yōu)越性能，在航空、航天、汽車、醫(yī)療等領域具有巨大的潛在應用前景。

研究團隊自2014年率先開展連續(xù)纖維增強復合材料3D打印研究，先后獲得了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃等多個項目的資助，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、《機械工程學報》第五屆優(yōu)秀論文獎；培養(yǎng)博士3名、碩士5名，出版《纖維增強樹脂基復合材料增材制造技術》專著1部；獲授權發(fā)明專利17件，授權實施2件，技術轉讓10件；入選2020年“科創(chuàng)中國”榜單-先導技術（裝備制造領域十項技術之一），獲得2021年度制造類SAMPE中國創(chuàng)新獎（復合材料制造類唯一獲獎項目）。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.115241