通过离散插件模块组装方法设计、制造并表征3D打印连续纤维复合晶格结构

《Composites Science and Technology》：Design, fabrication, and characterization of 3D printed continuous fiber composite lattice structures via discrete insert-module assembly

3D打印连续纤维增强复合材料结构面临制造和性能表征挑战。本文提出离散插入模块组装工艺与定制化拓扑结构，结合闭式理论模型和有限元仿真框架，实现复杂三维纤维增强结构的高精度制造与性能预测，验证结果显示理论值与实验数据误差小于10%。相较于传统制造方法，该技术显著提升纤维体积分数利用率，为工程化应用提供理论工具。

　　

程功|刘青旭|熊健

中国哈尔滨工业大学复合材料与结构研究中心，特殊环境先进复合材料科学技术国家重点实验室，哈尔滨 150080

摘要

3D打印的连续纤维增强复合晶格在轻量化结构方面具有显著优势，但现有制造方法在机械特性表征方面面临挑战。我们提出了一种离散插入模块组装工艺，并针对连续纤维3D打印定制了晶格拓扑结构。建立了封闭形式的理论模型和高保真度的有限元框架，并通过准静态压缩测试进行了验证。结果表明，通过组装平面插件可以制造出复杂的空间晶格，所提出的理论和仿真预测的刚度和强度与实验结果相差在10%以内。与已报道的3D打印复合晶格相比，当前结构在连续纤维体积分数归一化后，具有更强的机械性能和更高的连续纤维承载效率，表明连续纤维与主要载荷路径有效对齐。这些发现为使用3D打印连续纤维复合材料设计空间结构提供了实验依据和预测工具。

引言

纤维增强复合材料在航空航天、汽车、风能、建筑等领域逐渐取代金属[1]，[2]。然而，传统的制造方法（如热压成型、丝材缠绕和真空辅助树脂转移成型）依赖于模具，工具使用量大且耗时较长，这增加了成本并限制了纤维增强复合材料在新结构中的应用[3]，[4]。增材制造（3D打印）能够制造出复杂的高性能复合部件，因此成为一种有吸引力的替代方案。目前用于纤维增强复合材料的3D打印方法包括材料挤出[5]、层压对象制造[6]和粉末床熔融工艺[7]。机械性能很大程度上取决于纤维长度和连续性，这些因素决定了载荷传递和失效模式。用短纤维增强的复合材料通常具有较差的机械性能，限制了其在高性能结构中的应用，而连续纤维增强对于实现优异的承载能力至关重要。在现有技术中，熔融丝材制造（FFF）是最广泛用于打印连续纤维增强复合材料的工艺，也是许多商业系统的基础[8]，[9]，[10]。

制造三维结构对于将复合材料应用于具有复杂几何形状的高性能应用至关重要。作为一种新型轻质结构材料，周期性排列的桁架晶格结构在承载能力方面具有较高的比刚度和强度。复合晶格有助于填补阿什比材料选择图中的低密度-高性能区域[11]。通过增材制造（3D打印），已经可以在金属[12]、聚合物[13]和短纤维增强复合材料[14]中制造出复杂拓扑结构的晶格。相比之下，使用连续纤维增强复合材料制造三维晶格仍然具有挑战性。大多数报道的复合晶格仍然依赖于传统工艺，如三维编织[15]、机械加工-互锁组装[16]，[17]以及失模成型方法[18]，[19]，[20]，这些方法导致模具成本高且工艺流程繁琐。3D打印可以降低工具成本，扩大设计自由度，并定制纤维路径，使纤维与主载荷路径对齐，从而提高承载能力并更好地利用纤维增强效果[21]，[22]。考虑到打印路径、转向角度和接头质量的影响，陈等人[23]提出了一种多因素约束路径规划方法，用于制造具有优异成型保真度的高质量连续纤维复合晶格结构。与通过未优化路径制造的晶格结构相比，采用优化路径制造的晶格表现出显著提升的机械性能。因此，3D打印复合晶格引起了越来越多的研究兴趣。

由于逐层增材制造限制了连续纤维在每个切片中的放置方式，传统的打印策略无法生成完全三维的晶格结构。为了解决这个问题，一些研究在空间上规划了工具路径，使连续纤维丝材直接作为悬臂支柱使用，从而无需支撑即可打印出轻质晶格[24]，[25]，[26]。然而，悬臂方法目前主要限于简单的金字塔配置，难以推广到更复杂的高性能拓扑结构。此外，路径上的纤维间压实压力较低，难以控制内部缺陷，而长跨度会导致下垂和变形，降低尺寸精度。另一种方法是先打印一个二维菱形晶格，然后将其热成型为三维金字塔结构[27]，这可以提高几何保真度。然而，这种方法依赖于基体的热成形性能，在弯曲过程中容易引入微观损伤。

现有的3D打印连续纤维结构通常采用简单的几何形状，这限制了充分利用纤维方向增强的能力。此外，以往的研究主要集中在工艺开发上，而在预测性机械建模方面的研究相对较少。尽管现代数值方法可以模拟复合材料的失效行为，但大多数3D打印复合材料的有限元模型都是宏观尺度的，忽略了关键的过程特定特征，如实际的纤维路径、区域各向异性和纤维体积分数的空间变化，导致对连续纤维结构的预测不准确。为了解决这些问题，我们提出了一种基于FFF的离散插入模块组装方法。核心思想是将目标三维晶格分解为一组平面（二维）插件，用路径优化的、高度对齐的连续纤维打印每个插件，然后模块化组装这些插件以实现高承载能力的三维晶格。我们进一步开发了包含工艺级细节的理论和有限元模型，以准确预测结构的压缩响应。这一制造和建模框架推动了3D打印连续纤维增强复合材料在复杂空间晶格中的工程应用。

部分摘录

结构设计

由于制造工艺的限制，传统的连续纤维晶格结构主要为金字塔形状。开发以拉伸为主的晶格结构对于充分利用纤维的机械优势至关重要。根据麦克斯韦稳定性指数 M = S-3N+6（其中 N 为节点数，S 为支柱数），通过添加水平构件，可以将菱形晶格从以弯曲为主的行为转变为以拉伸为主的行为。

基材的热机械性能

从打印插件中切割出的矩形梁（50毫米 × 4毫米 × 4毫米）在Discovery DMA 850（TA Instruments）上进行三点弯曲测试，测试温度范围为20-200°C，升温速率为3°C·min^-1。图5显示了储能模量、损耗模量和tan delta。响应分为两个阶段。第一阶段（约70-110°C）：光滑的PA基体在70°C附近开始软化；tan delta在84.4°C时出现第一个峰值（记为T_g），在108.9°C时出现第二个峰值，表明粘性流动的开始。

结论

为了解决3D打印连续纤维增强复合空间晶格结构的制造和性能表征问题，我们提出了一种离散插入模块组装工艺，开发了理论预测模型和高保真度仿真框架，并通过准静态压缩测试进行了验证。主要结论如下：

(1)

离散插入模块组装方法能够制造出具有复杂拓扑结构的连续纤维复合空间晶格，

作者贡献声明

熊健：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、正式分析、概念化。程功：撰写 – 原始草稿、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理。刘青旭：验证、正式分析

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：[2025YFE0124500]和教育部开放项目计划——天津工业大学先进纺织复合材料国家重点实验室（项目编号：MATC 2024-Z02）的支持。JX还得到了青年教师科研创新能力支持项目（项目编号：[ZYGXQNJSKYCXNLZCXM-M9]和瞬态冲击科学技术实验室的支持。