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。
 

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。  
 

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。  
 

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。  
 

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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