基于应力场的连续纤维增强复合材料3D打印路径规划

长丝熔融沉积成型因其成本低级材料适用范围广等特点已成为最流行的 3D 打印技术之一。随着对熔融沉积结构强度性能要求的不断提升，研究人员把目光转移到了连续碳纤维（CCF）增强纤维复合材料的3D打印。

目前，连续纤维增强聚合物的3D打印主要有两种方法，包括喷嘴内浸渍和喷嘴外浸渍。喷嘴外浸渍的好处有三方面：

• 首先，采用双挤出机，其中一台用于热塑性材料(例如，PLA、ABS、尼龙等)作为基质，另一个用于连续纤维，能够在沉积过程中为拉伸连续纤维提供更好的控制；

• 其次，连续纤维和基体树脂的温度可以分别控制，以获得更好的机械性能；

• 最后，纤维的沉积可以是适应性的，并且仅应用于必要的关键区域。因此，这种技术在现成的3D打印机中被更广泛地使用甚至商业化。

连续纤维增强聚合物3D打印的一个主要难点是打印路径的规划，借助合理的纤维路径优化，例如，沿着应力流方向布置纤维，所得到的结构拉伸强度可以比由预浸长丝和短切纤维制造结构的拉伸强度高一个数量级。但目前的商业路径规划软件多采用平行和锯齿形路径，性能没有得到优化。

2022年香港中文大学、曼彻斯特大学以及代尔夫特理工大学的研究人员提出了一种基于有限元计算应力场的打印路径优化算法，该方法利用连续纤维的强各向异性材料特性，通过在临界区域沿拉伸主应力方向生成打印路径。

此外，路径分布的密度以与应力值成比例的自适应方式控制。即在应力较高的区域较密集，在不太关键的区域较稀疏。通过在聚乳酸(PLA)基体中3D打印连续碳纤维(CCF)对样品进行实验测试，并与传统的与载荷无关的打印路径算法进行对比，对比发现，当使用相同(或甚至稍小)量的连续纤维时，基于新的路径算法制造的试样强度性能提升了约71.4%，结构刚度提升了约50.2%。

文章发表于近期的《Additive Manufacturing》期刊上。