纖維增強3D打印部件的仿真與設(shè)計

作者： 張俊康，田小永

連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印可制造出高強度、輕質(zhì)且價格相對便宜的高性能零部件，以實現(xiàn)在更少時間和資源下生產(chǎn)出性能優(yōu)異的產(chǎn)品。與由單向或編織層壓材料組成的常規(guī)復(fù)合材料相比，3D打印復(fù)合材料中的連續(xù)纖維可用于僅部分地增強每層或以完全填充的方式來增強零部件的機械性能。如何設(shè)計及利用這種新型3D打印復(fù)合材料部件機械結(jié)構(gòu)中的纖維分布以提高其機械性能是很有必要研究的。美國新墨西哥大學(xué)Nekoda van de Werken等人究了連續(xù)碳纖維增強3D打印樣品的微觀結(jié)構(gòu)和熱機械性能，并利用有限元分析（FEA）來解釋并預(yù)測3D打印部件中的失效載荷和模式以得到最優(yōu)設(shè)計。

該團隊首先對制造出的連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印樣品的斷面進行掃描電鏡觀測，結(jié)果表明，連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印部件中存在相對大量的空隙，因此導(dǎo)致失效應(yīng)力低于理論預(yù)測。這些空隙是由于3D打印過程中逐層堆積所造成的，并且在拉伸測試過程中助長了樣件斷裂失效的發(fā)生。同時，從纖維拉出的觀察結(jié)果還可得出，纖維和樹脂之間的界面強度相對較低。

圖1.碳纖維增強纖維及打印零件的掃描電子顯微照片。a）碳纖維增強纖維。b）打印樣品橫截面。c）打印復(fù)合材料部件中存在空隙。d）打印復(fù)合材料部件中的碳纖維。

為了深入了解其失效形式，該團隊還進行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，幾何形狀，填充模式和填充百分比顯著影響破壞強度和模式，并證明FEA模擬可以預(yù)測復(fù)雜失效情況下3D打印部件的機械性能及其斷裂模式。從研究結(jié)果可得出，在纖維間的小區(qū)域空隙中填充純樹脂材料會引起的應(yīng)力集中在較高的纖維含量下變得更加顯著。因此作為基本的設(shè)計方案，應(yīng)避免打印路徑即纖維之間的空隙，以避免在其空隙中填充純樹脂，以提高打印零部件的機械性能。

圖2. a）樣品的幾何形狀與填充模式，b）失效載荷下的法向應(yīng)力[MPa]， c）失效載荷下的剪切應(yīng)力[MPa]， d）失效載荷下的Tsai-Wu失效指數(shù)。

通過有限元分析（FEA）的手段可以對連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印的零部件進行分析使其在設(shè)計階段得到更優(yōu)的結(jié)構(gòu)，以得到更高的強度及更輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)。而對于此類新型的3D打印方式，如何將模擬仿真與設(shè)計建模進行結(jié)合，通過數(shù)據(jù)模型自動優(yōu)化得到優(yōu)異的結(jié)構(gòu)模型還需進一步的研究與探索。

參考文獻
Nekoda van de Werkena, Joel Hurleyb, Pouria Khanboloukia, Ali N. Sarvestania, Ali Y. Tamijanib, Mehran Tehrani, Design considerations and modeling of fiber reinforced 3D printed parts. Composites Part B, 160(2019):684-692.

供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室