连续纤维增强复合材料（CFRCs）因其高比强度、高比模量和可设计性而被广泛应用于航空航天、汽车、海洋等领域。曲率纤维增强可变刚度结构（CFRVSSs）通过调整局部纤维方向和含量，可以最大限度地发挥连续纤维的优势，在航空航天等领域具有广阔的应用前景。CFRCs 3D 打印技术可以通过规划打印路径和设计工艺参数来精确调节纤维含量和纤维方向，为 CFRVSSs 的无模具整体制造提供了可能性。
图1 CFRVSS建模、设计和制造示意图
近日，《Composites Part B》期刊发表了一篇题为“3D printing of curvilinear fiber reinforced variable stiffness composite structures: A review”的综述文章，该研究由青岛理工大学、西安交通大学、苏州大学、北京航空航天大学、深圳3D打印制造创新中心、俄罗斯科学院机械工程研究所等研究团队完成。论文回顾了曲率纤维增强可变刚度结构（CFRVSSs）3D 打印的研究进展，从建模方法、结构设计和制造工艺等方面进行了总结，并分析了 3D 打印可变刚度结构的缺陷，以及4D 打印先进复合可变刚度智能结构的研究进展。最后，提出了 CFRVSSs 3D 打印技术的未来研究方向，以指导该领域的发展和应用。
为了对 CFRVSSs 进行性能分析和设计，需要建立其本构模型。目前，主要采用宏观力学理论、微观力学理论和有限元分析方法来建立 CFRVSSs 的本构模型。宏观力学方法通过实验测量单层 CFRVSSs 的应力-应变关系，并建立其本构模型，从而预测整个 CFRVSSs 的性能。微观力学方法通过选择代表性体积单元（RVE）进行均质计算，并将微观/宏观力学性能通过宏观过渡方法传递到宏观模型，以获得整个 CFRVSSs 的本构关系。
有限元建模方法主要采用离散网格法和纤维束建模法，通过将纤维方向和含量信息分配给网格元素或考虑纤维束作为统一实体进行建模，以获得更准确的模拟结果。
图2 不同的有限元建模方法
CFRVSSs 的设计方法主要分为两类：既定结构纤维轨迹优化和宏观微观多尺度结构优化。既定结构纤维轨迹优化是针对已存在、构型确定的结构构型开展纤维铺放轨迹优化，主要方法包括构建路径函数法、流体流线法和应力法。构建路径函数法通过建立曲线纤维的路径函数来设计曲线纤维轨迹。流体流线法利用流体流线方向设计非交叉的曲线纤维轨迹，以提高结构性能。应力法根据载荷下的应力状态设计连续纤维的分布，可以有效提高构件的机械性能。
表1 纤维轨迹优化方法
宏观微观多尺度结构优化方法考虑微观材料（纤维分布）的设计，同时进行宏观结构优化。拓扑优化可以直接找到满足设计域外部边界条件的最佳拓扑形状和材料分布。序列优化方法先进行拓扑优化，然后根据应力设计曲线纤维轨迹。并行优化方法同时优化宏观结构的材料分布和微观尺度的纤维分布，以实现材料整体性能的优化。
图3 （a） 根据应力分布规划打印路径；（b） 基于SOMP拓扑优化的路径规划方法；（c） 正交元素SOMP拓扑优化方法
图4 宏观拓扑优化与微细观纤维路径优化
CFRVSSs 的 3D 打印方法主要分为双挤出过程和共挤出过程。双挤出过程使用两个独立的打印喷嘴分别输送纤维预浸料丝和热塑性树脂，以完成内部增强结构和形状的打印。共挤出过程通常在喷嘴上设置两个或多个输入口，以同时输入连续纤维和基体材料，并通过规划打印路径来调节纤维方向，并调整树脂输送来改变纤维含量。
图5 双挤出打印和共挤出打印
CFRVSSs 制造过程中会出现多种缺陷，如纤维轨迹偏移、纤维扭曲、纤维错位、纤维磨损和多个界面等。研究人员进行了缺陷形成机制分析和工艺优化，以改善纤维-树脂界面、层间界面和层间界面的性能。例如，使用预浸料丝、增加浸渍压力、超声波辅助和纤维表面改性等方法来提高界面性能。此外，通过改进喷头装置和优化工艺参数来更好地解决纤维扭转和错位等缺陷。
表2 3D打印工艺缺陷
4D 打印技术可以使用 3D 打印制造可变刚度智能结构，该结构可以响应外部刺激，在生物医学、航空航天等领域具有广泛的应用。可变刚度智能结构的设计基于材料特性、结构形式和智能材料的响应机制，以实现可控的功能和性能。当前，可变刚度智能结构的设计主要包括多层结构和点阵结构。多层结构通过设计打印过程，调节单层材料的组成，实现层间性能差异，从而在外部刺激下实现可控变形。点阵结构通过设计单胞布局、尺寸或排列来调节纤维方向和含量，产生不同的应力分布和变形模式，并实现对结构变形方向和程度的控制。
图6 (a)优化前后的应力分布对比(b)优化前后结构的失效示意图；（c） 优化前后纤维方向和主应力方向的分布；（d） 优化前后CFRVSS的断裂示意图。
图7（a）直纤维结构和CFRVSS的失效模式比较；（b） 优化前后结构性能比较；（c） 基体层分布对弯曲开裂的影响。
图 8 4D打印点阵结构
图9 3D打印点阵结构
3D 打印 CFRVSSs 具有优异的性能和功能，在航空航天等领域的可高性能、多功能集成复合材料构件中具有潜在的应用前景。未来研究方向包括结构建模、设计和制造以及材料组成等方面。需要开发动态建模分析方法和多尺度建模分析方法，以提高模拟分析的准确性；研究多工作条件、动态性能和复杂结构的 CFRVSSs 设计方法；开发基于曲面层叠的 CFRVSSs 设计方法，并开发五轴甚至更多轴 3D 打印设备以实现复杂曲面的精确纤维放置；开发新的智能材料和可变刚度结构，并加强跨学科领域的交叉研究，以促进 4D 打印可变刚度智能结构的多功能应用。
图10 3D打印变刚度复合材料未来研究方向
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原始文献：Zhengxian Guo, Zhanghao Hou, Xiaoyong Tian, Weijun Zhu, Chuanyang Wang, Meng Luo, Andrei V. Malakhov, Alexander N. Polilov, Dingxing Zhi, Haolin Ding, Hongbo Lan, 3D printing of curvilinear fiber reinforced variable stiffness composite structures: A review, Composites Part B: Engineering, Volume 291， 2025, 112039
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.112039
责任编辑：贾利勇
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