该文章提出了一种新型的2.5D混合连续纤维增强点阵结构（CFRLSs），该结构通过合理地结合不同的点阵设计，利用纤维的拉伸强度来实现优异的压缩性能。这些混合结构采用自支撑悬挂式打印（SSSP）方法制造而成，该方法利用连续纤维3D打印（CF-3DP）技术，能够实现跨越较大间隙的悬挂结构制造。
为了优化所提出的2.5D混合CFRLSs的压缩行为，该研究关注了沿构建方向混合基本晶格结构的两个关键变量：组成比和分布策略。研究建立了有限元和解析模型，阐明了混合CFRLSs的三个失效机制和相关控制策略。结果表明，与传统的单类型结构（例如蜂窝设计）相比，所提出的混合结构即使在较低密度下也表现出更高的压缩性能，分别提高了141.3%和330.1%的比强度和模量。
这项研究为工程高性能CFRLSs提供了新的思路，这些CFRLSs具备优异的压缩性能，并能够充分利用CF-3DP技术所带来的设计自由度。
航空航天和汽车工程对轻量化、高强度的材料需求日益增长。连续纤维增强点阵结构 (continuous fiber reinforced lattice structures;CFRLS) 因其轻质、高比强度和高比刚度等优点，成为替代传统金属点阵结构的理想选择。基于熔融沉积建模（fused deposition modeling;FDM）的连续纤维3D打印（continuous fiber 3D printing ;CF-3DP）技术为连续纤维增强点阵结构的制造带来了新的可能性。研究表明，CF-3DP制造的蜂窝状点阵结构在强度和能量吸收能力方面展现出优异的性能。然而，现有研究主要集中在弯曲主导结构，其压缩性能的提升空间有限。相比之下，拉伸主导结构拥有更高的强度和刚度，但因其结构复杂，难以通过连续纤维3D打印进行制造。
近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇由南方科技大学系统设计与智能制造学院和香港理工大学工业与系统工程系的研究团队完成的有关自支撑悬垂打印实现连续纤维增强2.5D混合点阵结构的研究成果。该研究通过结合 2D 点阵设计和 自支撑悬垂打印SSSP(self-supporting suspension printing) 技术，实现了高性能 2.5D 混合 CFRLS 的制造，显著提升了其压缩性能，为 CFRLS 的应用开辟了新的可能性。论文标题为“Continuous fiber-reinforced 2.5D hybrid lattice structures with superior compression performance via self-supporting suspension printing”。
该研究提出了一种将拉伸主导和压缩主导的点阵结构相结合的2.5D混合点阵结构设计，拉伸主导结构充分利用纤维的高拉伸强度，而压缩主导结构则发挥其结构优势，从而有效提升点阵结构的压缩性能。
图1 当受到压缩载荷时，（a）弯曲为主和（b）拉伸为主的单元格响应
图2 混合点阵结构设计
传统的FDM打印技术在制造大跨度悬垂结构方面存在困难，该研究开发了一种名为SSSP的新方法，灵感来源于蜘蛛网🕸编织过程。该方法利用连续纤维的张力，无需支撑即可实现大跨度悬垂结构的打印，为制造复杂的2.5D CFRLS提供了新的可能性。
图 3 悬垂梁的轨迹偏差和截面形态。
图4 自支撑悬垂打印：原理、平台、方法和示例。
该研究设计了两种类型的 2.5D 混合点阵结构，分别为六边形蜂窝结构（HHS）和单向结构（UDS）。通过改变两种结构的体积分数和分布策略，探究了结构参数对压缩性能的影响。结果表明，混合点阵结构的压缩性能受拉伸主导和压缩主导晶格结构的体积分数和分布策略的共同影响，存在最佳的结构参数组合。
图5 设计和制造了具有不同结构组成和结构分布配置的混合CFRLS。
该研究采用了一系列实验和数值分析方法，深入探究了2.5D混合点阵结构的压缩性能。通过单轴平面压缩测试，分析了不同结构参数对混合点阵结构压缩强度和模量的影响。建立了混合点阵结构的有限元模型，并对其压缩行为和应力分布进行了分析。此外，还建立了混合点阵结构的解析模型，揭示了其弹性性能与结构参数之间的内在联系。
图6 具有不同 UDS 体积分数的混合 CFRLS 单元胞的有限元模拟结果。
研究结果表明，2.5D混合点阵结构可有效提升CFRLS的压缩性能，其压缩强度和模量分别提升了141.3%和330.1%。混合点阵结构的压缩性能受拉伸主导和压缩主导点阵结构的体积分数及分布策略的影响，存在最佳的结构参数组合。此外，混合点阵结构能够实现轻量化和高性能的平衡，在航空航天、汽车工程等领域展现出广阔的应用前景。
图7 具有不同 UDS 分布配置的混合 CFRLS 单轴压缩变形特性。
图8 具有不同配置的混合结构的归一化模量。
该研究表明，SSSP 技术和 2.5D 混合 CFRLS 设计能够有效提升 CFRLS 的压缩性能，为制造高性能轻量化结构提供了新的思路。该研究成果具有重要的理论意义和应用价值，有望推动 CFRLS 在航空航天、汽车等领域的应用。
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
