liuyi(南科大：连续纤维增强复合材料增材制造中的设计机遇和创新应用)--go百科网

内容简介

同传统制造工艺（如RTM、FW、ATP/AFP等）相比，CFRP-AM采用离散-堆积原理，极大地增加了连续纤维增强复合材料的设计自由度，允许逐点、逐域控制纤维分布、方向等设计变量以满足更为复杂的性能需求。如图1所示，CFRP-AM的设计空间可划分为材料、工艺、结构等三个设计域。设计域具有高维度和强耦合等特征，即性能目标受大量设计参数影响且参数间存在相互关联作用。上述挑战要求面向连续纤维增强复材增材设计方法必须采用多学科协同优化思想，在考虑制造约束的情况下，围绕材料-工艺-结构-性能映射关系，最大化复材增材的多性能设计目标。

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其中，聚合物基体和增强纤维之间的粘合是最关键的子功能。图3归纳了三种CFRP-AM中纤维与基体粘合的方法：1)预浸渍法、2)在线浸渍法和3)原位浸渍法。对于预浸渍，基体和增强材料分别制备为丝材（图 3 (a)）、带材（图 3 (b)）和片材（图 3 (c)）形式的预浸料。对于原位浸渍，干纤维或带有预浸润的纤维在喷嘴内共挤出，如图 3（d）和（e）所示。进料机构可以基于齿轮、柱塞或螺杆等方式。另外，也可以采用如图3（f）所示的在线浸渍方法。

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图 475;margin: 0px 0px 0px;">

2275;margin: 0px 0px 0px;">图6所示为典型的LOM工艺示意图。该技术将预浸料片作为原料材料切割、堆叠、粘合以形成三维实体。由于LOM工艺原理独特，仅需处理形状轮廓而非整个横截面区域，因此能实现高效制造。另外，采用传统方法制备的预浸料使得制成件具有较高纤维体积分数和较强纤维-基质界面。

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3材料设计

3工艺设计

纤维力学性能的各向异性使得纤维排铺轨迹规划成为决定构件整体性能一个关键因素。在早期的研究中，CFRP-AM中的纤维布局主要是通过对材料挤出工艺中直线、锯齿、轮廓、蜂窝等简单填充图案进行修改而得来。后续研究逐渐考虑小转角、大曲率半径等工艺约束带来的打印缺陷，对纤维路径进行了改进以减少纤维剪断频率，并避免尖角转弯。同时，优化了打印间隔和重叠比以避免材料溢出和孔隙等问题。此外，希尔伯特、螺旋曲线等复杂的填充图案和计算几何中的经典算法，如欧拉路径和中国邮差问题也被用于纤维路径的轨迹规划研究。

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表 2 关于CFRP复合材料工艺-性能关系的文献列表，表中不同颜色的含义:蓝色-负相关，黄色-正相关，绿色-目前不可预测，灰色-尚未研究

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图 1175;margin: 0px 0px 0px;">

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图 1275;margin: 0px 0px 0px;">

CFRP-AM中有多种实现打印件受激励后改变形状的机制。驱动其变形的外部刺激可以是直接的环境温度改变或者是对连续纤维通电加热进而产生温度变化。对纤维轨迹、纤维体积分数等工艺参数以及选择性区域加热进行调控进而可以实现CFRP-AM复合材料的智能可编程控制。

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4智能传感

增材制造允许制造具有定制形式的结构电池复合材料，同时实现无质量储能。图15所示为基于CFRP-AM技术的3D打印复合材料电池。

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