连续纤维增强复合材料 (CFRCs) 以其优异的力学性能在航空航天等领域得到广泛应用。然而，传统制造工艺如缠绕和真空成型存在模具依赖和复杂形状制造困难等问题。增材制造 (AM) 技术为 CFRCs 制造提供了新的可能性，特别是 FDM 技术因其易用性和成本效益而备受关注。然而，传统 FDM 系统的固定喷嘴限制了纤维体积分数的调整范围，难以满足复杂部件制造的需求。
近日，《Composites: Part A》期刊发表了一篇由北京理工大学机械工程学院和北京航天发射技术研究所的研究团队完成的有关可变体积分数的连续纤维增强复合材料增材制造的研究成果。该研究开发了一种可变喷嘴尺寸的 FDM 共挤出系统，实现了 CFRCs 中连续纤维体积分数的精确控制。此外，文章还提出了一种基于最大主应力轨迹分析的纤维路径优化方法，有效提高了复合材料的拉伸强度。论文标题为“Additive manufacturing of continuous fiber reinforced composites with variable volume fractions”。
文章提出了一种基于FDM工艺的CFRCs增材制造新方法，该方法采用可调喷嘴，能够精确控制连续纤维的体积分数。通过改变喷嘴尺寸，可以在整个制造过程中实现纤维体积分数的连续变化，范围从3.6%到32%。
图 1 可变体积分数连续纤维增强复合材料增材制造设备的整体结构。
图2 （a） 实现喷嘴尺寸改变的几个关键部件；（b） 螺纹盖和端盖上的凹槽结构；（c） 两个滑块的最大和最小位置。
研究提出了一种基于最大主应力轨迹分析方法优化纤维路径的新技术。该方法确保纤维沿着主应力方向排列，从而最大限度地提高材料的承载能力。
图3 （a） 使用PLA材料特性绘制开孔板的拉伸应力等值线图；（b） 元件沿中心线的应力位置曲线；（c） X方向加强层；（d） Y方向加强层；（e） 基于主应力轨迹增强的连续纤维增强复合材料层压板；（f） 体积分数均匀的连续纤维增强复合材料层压板。
实验结果表明，与优化前的材料相比，基于主应力轨迹的路径优化方法显著提高了复合材料开口板的拉伸强度，增加了 61.04%，而纤维用量仅增加了 0.38%。
图4 具有均匀体积分数（a、c和e）和可变体积分数（b、d和f）的复合开孔层压板的应力等值线图和应力集中系数等值线图。
研究首先通过正交试验确定了打印温度、打印速度和层厚等参数对打印效果的影响。然后，利用主应力轨迹分析方法设计了优化路径，并通过有限元分析软件Abaqus对优化后的复合材料进行静力学拉伸模拟，验证了优化路径对材料机械性能的提升效果。最后，使用自主研发的增材制造设备制造了优化路径的复合材料开口板，并通过拉伸实验验证了其力学性能的提升。
图5 （a） 复合材料层压板拉伸破坏的模拟载荷-位移曲线；（b） 变体积分数复合材料开孔层压板的拉伸破坏应力等值线图；（c） 具有均匀体积分数的复合材料开孔层压板的拉伸破坏应力等值线图。
研究结果表明，文章提出的基于可调喷嘴和主应力轨迹分析的CFRCs增材制造方法能够有效提高复合材料的力学性能。优化路径能够显著降低应力集中现象，提高材料的疲劳寿命和承载能力。此外，该方法还能够提高纤维利用率，并实现更复杂的零件制造。
图6 复合材料开孔层压板试样：（a）体积分数均匀的复合材料开孔层压板；（b） 可变体积分数复合开孔层压板；（c） 具有孔膨胀的可变体积分数复合材料层压板。
图7 缺口复合材料层压板的断裂模式：（a）具有均匀体积分数的复合开孔层压板的断口；（b） 具有均匀体积破裂的复合开孔层压板的夹紧区域破裂；（c） 具有均匀体积分数的复合开孔层压板圆孔处的断裂。
该研究开发了一种新型的 CFRCs 增材制造工艺，并优化了纤维路径以提高机械性能。该工艺在提高 CFRCs 力学性能方面具有高效性和有效性，并为复合材料增材制造技术的发展提供了新的思路。
【优惠倒计时】第15期Abaqus复合材料仿真分析技术培训
投稿邮箱：mech_of_comps@yeah.net
投稿模板：公众号后台回复“前沿追踪模板”获取
微 信：mech_of_comps
QQ 群：640676531，540731372
