2023年2月10日，西安交通大学田小永团队在《Composites Part B: Engineering》上发表题为Progressive concurrent topological optimization with variable fiber orientation and content for 3D printed continuous fiber reinforced polymer composites的研究论文，提出了一种多学科的方法来设计和制造CFRPCs拓扑结构，逐步设计纤维方向和含量，并通过3D打印得以实现。
//doi.org/10.1016/j.compositesb.202
研究简介
本文提出了一个多学科框架，用于3D打印连续纤维增强聚合物复合材料(CFRPCs)，设计和制造一种纤维取向和含量分布不均匀的拓扑结构，以最大限度地提高含量和纤维利用效率。将曲线纤维复合材料的优化设计与3D打印相结合，通过两阶段逐步设计曲线纤维的取向和含量。研究人员首先对光纤取向和拓扑结构进行了并行优化，然后通过有限元分析(FEA)对纤维含量进行设计，并采用分层结构设计方法，通过改变连续纤维路径得以实现。在此基础上，对拓扑梁进行了加成制造和实验研究，与原CFRPCs设计相比，拓扑梁的刚度和峰值载荷分别提高了38.55%和25.40%，与纯聚合物设计相比，拓扑梁的刚度和峰值含量分别提高了264.39%和165.84%。该方法拓宽了碳纤维复合材料3D打印的设计自由度，在解决航空航天、汽车等领域的工程问题上具有潜在的应用价值。
研究内容简介
连续纤维增强聚合物复合材料(CFRPCs)作为高比强度、高比模量、设计柔性等先进复合材料的典型代表，在轻量化、高性能结构设计中受到了广泛关注。随着碳纤维复合材料3D打印技术的迅猛发展，为实现先进的曲线纤维增强复合材料结构提供了一种有前景的技术手段。曲线纤维可以使纤维再分布放置达到不均匀的强化和性能提升，在医疗、汽车和航空航天应用中已得到证实。因此，CFRPCs 3D打印的可用性使得生产复杂的多尺度结构成为可能，特别是那些由拓扑优化派生的结构，其特征跨越结构和材料尺度。但与各向同性材料和短纤维各向异性材料相比，cfrpc在拓扑优化和3D打印方面的进展还处于早期阶段。在设计和制造之间仍然存在差距，需要不间断且平滑的光纤路径。3D打印加工灵活性的优势，特别是在变刚度复合材料制造方面的优势，尚未在拓扑cfrpc结构中得到充分发挥。本文提出了一种多学科的方法来设计和制造拓扑CFRPCs结构，逐步设计纤维方向和含量，并通过3D打印得以实现。通过这种方法，纤维的取向和含量能够在拓扑形态内不均匀分布，实现曲线纤维增强。在此基础上，实现了MMB拓扑梁，并进行了实验研究，其刚度为1446.25 N/mm，峰值载荷为3959.25 N与原cfrpc设计相比，和原cfrpc相比刚度和峰值含量提高了25.40%，比纯聚合物设计提高了264.39%和165.84%。该方法拓宽了cfrpc 3D打印的设计自由度，在航空航天、汽车等领域具有巨大的潜在应用前景。
图1 设计策略流程图。
图2 渐进式拓扑碳纤维复合材料设计:(a)并发拓扑优化结果;(b)有限元分析;(c)纤维含量设计和路径规划;(d) 3D打印工艺设计。
图3 cfrpc的3D打印工艺:(a)设备;(b)过程示意图。
