2023年1月14日，瑞士联邦材料科学与技术实验室在国际期刊《Additive Manufacturing》上发表题为Assessment of the benefits of 3D printing of advanced thermosetting composites using process simulation and numerical optimisation（利用过程模拟和数值优化，评估先进热固性复合材料3D打印的优势）的研究论文，提出了一种简化的3D打印过程持续时间估计方法，可用于探索工艺在零件尺寸方面的限制，解决了在使用连续碳纤维的3D打印过程中固化的传热模拟和优化。
//doi.org/10.1016/j.addma.2023.103417
研究简介
连续纤维增强热固性基复合材料的3D打印将彻底改变复合材料的制造实践。固化添加剂的潜力将有助于提高工艺速度、产生当前加工方式无法达到的几何形状、以及消除工艺过程中有害的放热效应。本研究对不同厚度和尺寸的碳纤维/环氧构件的3D打印固化阶段和标准批量加工进行了比较。结果强调，温度超调可以减少85%，3D打印的内在添加性可以消除温度超调对厚度的依赖，并生产出传统方法很难制造的厚度组件。基于有限元模拟结果，提出了一种简化的3D打印过程持续时间估计方法，可用于探索工艺在零件尺寸方面的限制，并用于工艺适用性与批处理的一般比较。分析表明，3D打印对于小型部件非常有利，对于中型部件非常有效，并且在其可扩展性的基础上，可以为生产大型和超大型部件提供可行的选择。
研究内容解读
与标准材料相比，连续纤维热固性复合材料具有一些优势，例如高强度重量比和各向异性、更好的环境效益和结构效率，以及额外的设计灵活性和定制组件设计的可能性。然而，复合材料的制造并不能满足当下严格的可持续性要求。工业依赖于较长的固化周期，其缺点是能源消耗大，增加了成本和二氧化碳排放。对于较厚的热固性复合材料来说，这个问题变得更具挑战性。由于贯穿厚度方向的导热系数较低，所涉及的放热反应具有很强的非线性，因此建立能够满足严格质量要求的厚件的固化循环并非易事。往往未固化的区域和过高的超温是导致零件报废的原因，这极大的影响了可持续性和成本方面。鉴于当前的二氧化碳排放目标，该行业需要改进复合材料的制造方式，以降低能源消耗，并在第一时间达到零环境影响的正确方法。该研究解决了在使用连续碳纤维的3D打印过程中固化的传热模拟和优化。该优化方法适用于液体复合成型的材料系统。固化周期和打印速度作为优化参数，目的是最大限度地减少工艺时间和温度超调。研究人员在有限元模拟结果的基础上，提出了一种简化的、通用的3D打印过程持续时间的近似框架。这是对3D打印在液体成型复合材料和预浸料材料系统的不同组分尺度上，生产连续纤维/热固性基质结构的能力所进行的探索性研究。
图1边界条件应用:a)标准批处理工艺;B)添加剂固化工艺;c)情况I、II、III及厚度方向;d)第四种情况。
图2参数化固化周期:a) 3D打印场景;B)标准批处理工艺。
图4应用改性MRCC时RTM6环氧树脂/碳纤维体系的温度沿厚度分布a)不同加工时间的厚度方向分布;B)固定位置的进化。
图6改性MRCC后RTM6环氧树脂/碳纤维体系3D打印过程温度分布为:a)不同加工时间的厚度方向分布;B)固定位置的演化;C) 4900 s处等高线图。
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