人工智能（AI）與機器學習（ML）技術正推動制造業革新，其中增材制造（AM）作為核心創新，通過逐層堆疊材料實現了復雜結構的定制化生產。材料擠出式3D打印技術因其低成本和高適應性，成為連續纖維增強復合材料（3DP-CFRPCs）制備的重要方法，其高強度、輕量化特性在航空航天、汽車等領域極具潛力。然而，打印過程中產生的孔隙、層間結合缺陷等微觀結構問題嚴重制約材料力學性能，而傳統實驗方法耗時耗力，亟需高效精準的計算模型替代。
      本研究聚焦3DP-CFRPCs的彈性性能優化，提出結合多尺度建模與代表性體積單元（RVE）的數值模擬方法，系統分析打印參數（如層厚、溫度、鋪層路徑）對材料性能的影響機制。通過Mori-Tanaka均質化方法量化基體孔隙效應，并利用有限元模擬揭示纖維-基體界面特性及層間結合強度的關鍵作用，旨在突破傳統實驗局限，為高性能3DP-CFRPCs的打印工藝優化提供理論支撐，推動其在工業領域的可靠應用。
 

研究內容與方法
研究內容
本研究圍繞3D打印連續纖維增強復合材料（3DP-CFRPCs）的彈性性能與打印參數關聯性展開，重點探究層厚（圖1a-b）

鋪層方式（圖1c）及界面特性（圖1b中黃/紅色界面）對材料剛度的影響。通過分析微觀結構（如纖維排列、孔隙形狀、層內/層間界面結合）與宏觀力學性能的映射關系，揭示了層厚增加導致的孔隙率上升、偏移鋪層對孔隙填充的優化（圖8-9），以及界面粘結強度對剪切模量的調控機制（圖5）。
 

研究方法
多尺度建模：
孔隙均質化：基于圖2b所示的橢球孔隙模型（長徑比α），采用Mori-Tanaka方法計算含孔隙基體的等效剛度張量，結合Eshelby張量量化孔隙形狀對柔度的影響。
 

RVE有限元模擬：根據圖1c的RVE單元（不同鋪層路徑）和圖3的三維RVE結構，利用ABAQUS模擬層厚（0.125-0.5 mm）、溫度（190-210°C）及鋪層角度（0°-90°）下的應力分布，通過周期性邊界條件計算彈性模量（圖4-7）
 

實驗驗證：基于圖1a的擠出珠微觀結構（光學顯微鏡觀測），結合ASTM D638拉伸試驗和ImageJ孔隙分析，驗證模型精度（誤差<12%）。
 

結果與討論
研究表明，打印層厚是影響3DP-CFRPCs彈性性能的核心因素：層厚從0.125 mm增至0.5 mm時，橫向拉伸模量下降15%-20%，主要歸因于孔隙率上升（實驗與模型誤差<6%）及層間聚合物擴散結合弱化。界面性能對剪切模量調控顯著，界面粘結強度提升1.5倍可使縱向剪切模量增加25%。偏移鋪層技術（如1/8絲寬偏移）通過優化孔隙填充和界面接觸，使橫向拉伸模量提升12%，而離軸鋪層中45°鋪層因纖維交錯增強應力傳遞，剪切模量較0°鋪層提高18%。

進一步分析指出，孔隙分布對剛度的影響呈現動態變化：低孔隙率（<2%）時纖維束間孔隙主導剛度劣化（同等孔隙率下較基體孔隙影響高30%），但隨著孔隙率增加，基體孔隙效應逐漸凸顯（孔隙率5%時二者差異縮小至8%）。與Blok等實驗數據對比顯示，模型預測誤差僅3%，驗證了多尺度建模的可靠性。研究還發現，打印溫度（190-210°C）對剛度的影響弱于層厚和鋪層方式，高溫雖可增強界面結合，但受限于纖維熱降解風險，優化窗口較窄。這些結果為3DP-CFRPCs的工藝設計提供了量化依據。

結論
研究通過多尺度建模與實驗驗證，系統揭示了三維打印連續纖維增強復合材料（3DP-CFRPCs）的彈性性能與打印參數的關聯機制。采用Mori-Tanaka均質化方法量化基體孔隙（橢球狀，長徑比α）對剛度的劣化效應，結合ABAQUS構建微觀結構RVE模型，模擬層厚（0.125-0.5 mm）、鋪層方式（單向/離軸/偏移）及界面特性對彈性模量的影響。結果表明，層厚增加導致孔隙率上升與界面結合弱化，橫向拉伸模量最大降幅達20%；偏移鋪層（1/8絲寬偏移）優化孔隙分布，提升橫向模量12%；界面粘結強度增強1.5倍可提高剪切模量25%。研究進一步指出，低孔隙率下纖維束間孔隙主導剛度損失，而高孔隙率時基體孔隙效應凸顯，模型預測誤差<12%，驗證了多尺度方法的可靠性。研究為優化打印參數（優先調控層厚與鋪層路徑）提供了理論指導，推動高性能3DP-CFRPCs的工業應用。
原始文獻：
Li, X. Multiscale computational modeling of 3D printed continuous Fiber reinforced polymer composites. Sci Rep 15, 17596 (2025).


原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41598-025-01556-4

(責任編輯：admin)

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