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曼大《Part B》:主應(yīng)力引導(dǎo)的高密度纖維3D打印路徑生成方法,纖維覆蓋率高達(dá)87.5%

時(shí)間:2025-06-28 10:14 來(lái)源:復(fù)合材料力學(xué) 作者:admin 閱讀:

        近日,Composites Part B 期刊發(fā)表了一篇由曼徹斯特大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系研究團(tuán)隊(duì)完成的有關(guān)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(Continuous Fiber-Reinforced Thermoplastic Composites, CFRTP)增材制造的研究成果。該研究提出了一種基于主應(yīng)力引導(dǎo)的高密度纖維路徑生成方法,通過(guò)優(yōu)化方向場(chǎng)和周期性標(biāo)量場(chǎng)生成等距纖維路徑,有效克服了現(xiàn)有方法在纖維覆蓋密度和方向一致性上的局限性。論文標(biāo)題為“Toolpath generation for high density spatial fiber printing guided by principal stresses”。

 

研究?jī)?nèi)容
      該研究采用系統(tǒng)性的方法來(lái)解決連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRTP)在多軸3D打印中的路徑規(guī)劃難題。首先,研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入了2-RoSy表示法來(lái)處理主應(yīng)力場(chǎng)的方向模糊性問(wèn)題。這種方法通過(guò)將傳統(tǒng)向量場(chǎng)轉(zhuǎn)換為具有180度旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的方向場(chǎng),有效消除了應(yīng)力場(chǎng)中因特征值分解導(dǎo)致的隨機(jī)方向翻轉(zhuǎn)問(wèn)題,為后續(xù)路徑生成奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上,研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種周期性標(biāo)量場(chǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù),通過(guò)構(gòu)造一個(gè)與2-RoSy方向場(chǎng)垂直的標(biāo)量場(chǎng),并利用Marching Squares算法提取其等值線作為纖維路徑。這一創(chuàng)新使得生成的路徑不僅嚴(yán)格遵循主應(yīng)力方向,還能保持近乎相等的間距,從而實(shí)現(xiàn)了高達(dá)87.5%的纖維覆蓋率。為適應(yīng)復(fù)雜幾何形狀,研究還擴(kuò)展了基于四元數(shù)的S³-Slicer曲面切片算法,通過(guò)局部旋轉(zhuǎn)優(yōu)化和全局變形控制生成曲層,并特別設(shè)計(jì)了高度一致性約束來(lái)優(yōu)化孔洞周圍的纖維纏繞。

 

圖1  S³-Slicer變形流程示意圖,展示局部旋轉(zhuǎn)優(yōu)化與標(biāo)量場(chǎng)映射


為生成高密度等距纖維路徑,研究提出兩步策略:  

1. 方向場(chǎng)優(yōu)化:采用2-RoSy(2旋轉(zhuǎn)對(duì)稱)表示消除主應(yīng)力方向模糊性。通過(guò)局部坐標(biāo)系定義和鄰域旋轉(zhuǎn)矩陣,將方向場(chǎng)與主應(yīng)力對(duì)齊,并最小化場(chǎng)的不連續(xù)性。  

 

2. 周期性標(biāo)量場(chǎng)生成:將方向場(chǎng)轉(zhuǎn)換為周期性標(biāo)量場(chǎng),利用旋轉(zhuǎn)形式(Spinning Form)提取等值線作為路徑。通過(guò)Marching Squares算法生成初始路徑后,研究人員剔除短路徑并處理奇異點(diǎn),確保路徑連續(xù)性和制造可行性。  
 

圖2 計(jì)算流程圖展示從應(yīng)力場(chǎng)到最終路徑的生成過(guò)程

 

圖3 二維流形上局部坐標(biāo)系的定義與應(yīng)用示意圖

 

圖4 橋模型路徑生成結(jié)果,展示等距條紋與后處理路徑


針對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域(如孔洞),研究人員擴(kuò)展S³-Slicer框架,通過(guò)添加孔洞方向約束和高度一致性控制,確保纖維繞孔連續(xù)分布。此外,引入邊界跟隨項(xiàng)優(yōu)化方向場(chǎng),避免路徑斷裂。實(shí)驗(yàn)表明,該方法顯著提高了孔周纖維覆蓋率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。  
 

圖5 高度一致性控制對(duì)孔周層完整性的影響對(duì)比

 

圖6 邊界跟隨項(xiàng)對(duì)路徑繞孔效果的優(yōu)化對(duì)比


整套方法通過(guò)8自由度機(jī)器人打印系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物理驗(yàn)證,其中雙打印頭設(shè)計(jì)支持PLA基質(zhì)與連續(xù)碳纖維的協(xié)同擠出,路徑規(guī)劃結(jié)果直接轉(zhuǎn)換為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)指令,最終在力學(xué)測(cè)試中展現(xiàn)出84.6%的失效載荷提升。該方法的核心突破在于將數(shù)學(xué)場(chǎng)論(2-RoSy表示)、計(jì)算幾何(周期性參數(shù)化)與制造工藝(多軸運(yùn)動(dòng)控制)深度融合,為高性能復(fù)合材料的數(shù)字化制造提供了新范式。  
 

圖7 各向異性有限元分析驗(yàn)證纖維路徑有效性(a)紅色箭頭表示本研究生成的纖維路徑方向,淺藍(lán)色箭頭表示局部打印方向;(b)高密度纖維路徑復(fù)合材料的位移幅值分布;(c)各向異性有限元分析(FEA)中主應(yīng)力方向與纖維路徑間角度分布統(tǒng)計(jì);(d)稀疏纖維路徑復(fù)合材料的位移分布(各向異性材料屬性僅應(yīng)用于含纖維路徑的單元)

 

圖8 連續(xù)纖維制造機(jī)器人硬件系統(tǒng)示意圖:(a)8自由度機(jī)器人輔助增材制造系統(tǒng),其中路由器作為信息樞紐,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與擠出工藝的同步控制;(b)系統(tǒng)配備雙打印頭,分別用于連續(xù)纖維(碳纖維)及基體材料(PLA)與支撐材料(PVA)的擠出


三、小結(jié)
該研究提出了一種基于主應(yīng)力引導(dǎo)的高密度纖維路徑生成方法,通過(guò)2-RoSy方向場(chǎng)優(yōu)化和周期性標(biāo)量場(chǎng)轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)了纖維路徑的等距分布與高覆蓋率,顯著提升了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械性能與制造效率。

原始文獻(xiàn):
Zhang T, Liu T, Dutta N, et al. Toolpath generation for high density spatial fiber printing guided by principal stresses. Composites Part B. 2025;295:112154.

原文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112154.


 

(責(zé)任編輯:admin)

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