熔融沉积成型3D打印CFRP/GFRP层合材料原位效应的细观分析与强度预测

针对熔融沉积成型(FFF) 3D打印复合材料因层间特性计算不足制约工程应用的问题，研究团队通过逆向推导算法建立了原位效应(Yis/Sis)计算框架，揭示了打印工艺导致的独特厚度-强度正相关规律，改进的预测模型使CFRP/GFRP横向原位拉伸强度回归值分别达0.88和0.72，为增材制造复合材料强度设计提供新方法。

　　

熔融沉积成型（Fused Filament Fabrication, FFF）3D打印技术凭借其快速成型优势，在碳纤维/玻璃纤维增强聚合物（CFRP/GFRP）制造领域展现出巨大潜力。然而传统复合材料理论难以准确预测其力学性能，核心矛盾在于独特的逐层堆积工艺导致层间约束机制与常规复合材料存在本质差异。特别是当材料厚度变化时，现有模型无法解释强度异常升高的"原位效应"现象，这迫使工程师不得不采用过高安全系数，严重制约了该技术在承力结构中的应用。

为破解这一难题，研究人员开发了创新的逆向推导计算框架。通过建立包含 Puck 失效准则和 Hashin 渐进损伤模型的双重验证体系，结合贝叶斯优化算法提升计算效率，实现了从实验数据反演真实原位强度参数(Y_is, S_is)的突破。研究团队设计了三类典型铺层试件：交叉堆叠（C0-）、角度堆叠（A30-～A60-）和45°堆叠（Sh-），采用0.5mm/min准静态拉伸测试获取基础参数，并通过扫描电镜(SEM)揭示细观失效机制。

4.1 测试结果
对比未考虑原位效应的计算值，CFRP/GFRP试件最大误差分别达-13.29%和17.07%，证实厚度变化会显著改变力学响应规律。

4.2 原位效应逆向计算
通过自定义程序实现参数反演，发现原位强度随簇层厚度增加呈抛物线分布，与传统复合材料理论预测的衰减趋势相反。SEM观测证实薄层试件存在明显层间分离，而厚层试件呈现整体断裂特征，揭示打印工艺削弱了相邻层对簇层的约束效应。

4.3 贝叶斯优化
将有限元模型计算时间缩短至暴力搜索的1%，验证了简化模型（忽略渐进损伤）在保持精度的同时可大幅提升计算效率。

4.4 细观分析
电镜观测显示：薄层试件裂纹会贯穿整个簇层厚度导致层间剥离，而厚层试件裂纹先在基体方向扩展，形成非线性的跨层断裂面，这种失效模式的差异是原位效应异常的根本原因。

4.5 数值计算
改进的经验公式通过引入周期修正参数(θ_Y-cor)，使CFRP/GFRP的横向原位拉伸强度预测回归值提升至0.88/0.72，原位剪切强度预测精度更达到0.99/0.98。

该研究首次系统阐明了FFF 3D打印复合材料特有的"厚度增强型"原位效应机制，建立的修正预测模型成功解决了传统能量准则(Eq.14-16)在打印材料中的适用性问题。通过揭示打印层间基体粘结状态对裂纹扩展路径的调控作用，为发展面向增材制造的复合材料强度理论奠定了基础。特别值得注意的是，该方法仅需标准试件测试数据即可实现不同铺层结构的强度预测，对于推动3D打印复合材料在航空航天等领域的工程应用具有重要价值。