南科大《CoCo》綜述：連續纖維增強復合材料增材制造中的設計機遇和創新應用(2)
時間：2022-01-13 11:05 來源：復合材料力學 作者：admin 閱讀：次
3.2.2.工藝參數優化
工藝參數與打印件性能之間的映射關系是進行工藝參數優化的基礎。表2總結了文獻中已經研究過的工藝-性能關系，包括大多數力學性能，如拉伸、彎曲、剪切和壓縮性能與工藝參數，如噴嘴溫度、層高、打印速度和打印間距等。然而，CFRP-AM中獨特的工藝參數，如纖維張力和纖維進給速率，尚未得到深入的研究。
表 2 關于CFRP復合材料工藝-性能關系的文獻列表，表中不同顏色的含義:藍色-負相關，黃色-正相關，綠色-目前不可預測，灰色-尚未研究
3.3.結構設計
3.3.1.點陣結構設計
CFRP-AM點陣結構可以顯著提高打印件的機械強度和抗疲勞性能。針對CFRP-AM點陣結構的設計變量可歸納為三組：單胞形狀、空間排列方式以及單胞幾何參數。如圖11所示，單胞形狀主要包括矩形、圓形、蜂窩、菱形、梯形、波紋狀、箭頭狀和金字塔狀等形式。空間排列方式包括周期排列、功能梯度、混雜排列等。幾何參數主要包括單胞長度、壁厚和傾斜角度等。CFRP-AM打印件的密度/相對密度、等效泊松比、彈性模量、比模量、拉伸強度、壓縮強度、能量吸收、比能量吸收、形狀恢復率和形狀恢復時間等性能指標通常作為點陣結構設計的優化目標。
圖 11. 不同形狀的CFRP點陣結構。(a) 矩形、圓形、蜂窩、菱形、梯形；(b) 箭頭形；(c) 波紋形；(d) 金字塔形
3.3.2.拓撲優化設計
基于CFRP-AM的拓撲優化主要挑戰是結構設計和工藝規劃之間的耦合。設計包括兩個任務：1）材料分配；2）工藝規劃。所面臨的主要研究問題包括纖維連續性、尺度分離、設計自由度降低以及復雜形狀復合材料的纖維取向優化等。目前，基于CFRP-AM的拓撲優化可分為兩種：先結構拓撲后工藝規劃的順序優化（圖12（b））和結構-工藝協同優化。
圖 12. (a) 優化的支架模型及其平滑變化的材料方向；(b) 先結構拓撲后工藝優化
4.CFRP-AM的創新應用
4.1.智能可變體
CFRP-AM中有多種實現打印件受激勵后改變形狀的機制。驅動其變形的外部刺激可以是直接的環境溫度改變或者是對連續纖維通電加熱進而產生溫度變化。對纖維軌跡、纖維體積分數等工藝參數以及選擇性區域加熱進行調控進而可以實現CFRP-AM復合材料的智能可編程控制。
圖 13.(a) 4D打印連續碳纖維增強形狀記憶聚合物基底復合材料的焦耳熱致形狀恢復；(b)不同實驗設置的可展開表面；(c)不同纖維含量的Kevlar-SMP復合材料的形狀恢復；(d)具有不同電壓輸入配置的CFRP復合材料的變形行為
4.2.智能傳感
利用連續纖維的電-機械性能可開發具有綜合傳感能力的復合材料，如金屬纖維應變傳感器、碳纖維二維變形場智能傳感網格以及碳纖維自我監測傳感器，如圖14所示。
圖 14. (a) 印刷鎳鉻絲增強PLA復合材料；(b) 二維變形場智能傳感網格；(c) 嵌入碳纖維的3D打印人工手
4.3.能量存儲
增材制造允許制造具有定制形式的結構電池復合材料，同時實現無質量儲能。圖15所示為基于CFRP-AM技術的3D打印復合材料電池。
圖 15. 由紫外線輔助共擠出制造(左)和和通過熔融沉積模型制造（右）的復合材料結構電池
4.4.其他應用
CFRP-AM的另一應用是通過復雜的結構設計，以實現具有定制化性能超材料的開發，圖16為基于CFRP-AM技術的具有聲學、負泊松比特性、電磁波吸收和屏蔽方面性能的超材料應用。
圖 16. CFRP超材料: (a) 具有不同配置和制造樣品的局部共振聲學超材料；(b) 具有可控屏蔽效果的CF復合材料外殼；(c) 用于電磁波吸收和屏蔽的連續碳纖維增強復合材料結構；(d) 具有負泊松比的連續碳纖維增強聚酰胺復合超材料
總結
該文主要結論可歸納為以下幾點：
1.CFRP-AM 的設計包含多個設計域，設計域具有高維度和強耦合等特征。
2.不同增材制造技術已被用于CFRP復合材料的制造。然而，增材制造的CFRP復合材料力學性能仍遠低于通過傳統方法制造獲得的構件，力學性能需要進一步提高才能應用于工業。
3.目前對CFRP-AM材料設計研究主要通過結合不同的傳統熱塑性或熱固性基體材料來提高機械性能。然而，關于基體和增強材料的化學或物理改性和預處理的研究仍然很少。此外，由于對智能器件需求的不斷增長，因此非常需要通過CFRP-AM賦予零件包含熱、電、磁等在內的多種功能。
4.CFRP-AM的纖維鋪排軌跡規劃極大地影響了制成件力學性能。纖維方向和體積分數的局部調控為優化CFRP復合材料性能創造了新的可能性。空間連續路徑規劃策略以及性能驅動的纖維布置需要進一步研究。
5.基于實驗的方法已經對工藝參數對CFRP打印件的性能的影響進行了廣泛的研究。然而，在前期研究中獲得的大部分工藝-性能關系尚未用于設計優化。未來的研究應將重點放在將這些映射關系納入產品的優化設計中。
6.點陣結構和拓撲優化為設計具有可調機械性能同時保持輕量化的3D打印CFRP復合結構提供了巨大的潛力。然而，復雜形狀復合材料的纖維不連續性、尺度分離和纖維取向優化等挑戰需要進一步研究。
7.CFRP-AM具有一體化成形多功能復材的巨大潛力，可以將執行器、傳感器和能量存儲模塊等元件一體化集成到同一設備中，從而降低成本并提供更好的結構完整性,為智能設備的開發鋪平了道路。
原始文獻：
Guang Liu, Yi Xiong, Limin Zhou, Additive manufacturing of continuous fiber reinforced polymer composites: Design opportunities and novel applications, Composites Communications, Volume 27, 2021, 100907, ISSN 2452-2139, https://doi.org/10.1016/j.coco.2021.100907.
(責任編輯：admin)
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