《Journal of Manufacturing and Materials Processing》：A Segmental Joining Method for Large-Scale Additive Components: Case Study on a Fan Blade
Ronald Bastovansky,
Matus Veres,
Rudolf Madaj,
Robert Kohar and
Peter Weis
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本研究提出一种针对选择性激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS）成型的模块化大型构件的分段拼接方法。研究人员开发了一种由拉挤碳纤维杆（pultruded carbon fiber rod）加强的T型槽接头（T-slot join
本研究提出一种针对选择性激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS）成型的模块化大型构件的分段拼接方法。研究人员开发了一种由拉挤碳纤维杆（pultruded carbon fiber rod）加强的T型槽接头（T-slot joint），以实现超出常见SLS打印机成型尺寸的聚合物风扇叶片的分段组装。通过迭代设计过程，研究了五种接头变体，重点优化槽几何形状（圆角半径及壁厚）并集成碳纤维增强以形成高强度混合连接。实验结果通过采用迭代校准的杨氏模量710 MPa（考虑研究中使用的50/50新粉与旧粉PA2200粉末比例）的非线性有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）进行验证。数值模型确定裂纹萌生的首要位置为阴槽（female slot）的圆角处，该处在拉伸和弯曲载荷下局部等效塑性应变分别达到临界水平84%和78%。最终设计平均抗拉强度达27.6 MPa，超过21.9 MPa的设计阈值且安全系数达2.5。未增强接头抗弯强度较整体（monolithic）试样降低73.4%，而加入φ8 mm碳纤维杆后性能提升238.7%，恢复了单体材料90%以上的强度。数值结果表明增强杆承担主要承载作用，有效将聚合物基体的应力抑制至极限抗拉强度以下。失效分析表明可听见的失效源于杆内纤维在900–1050 MPa应力下的内部断裂。本工作证明基于分段及增强的拼接方法可有效克服聚合物增材制造（Additive Manufacturing, AM）的尺寸限制，为承受复杂载荷的旋转部件提供稳健且可重复的解决方案。
论文解读：大型聚合物增材制造件的分段拼接方法及风扇叶片案例研究
Bastovansky等人发表于《Journal of Manufacturing and Materials Processing》的此项研究，针对选择性激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS）聚合物增材制造受限于成型腔尺寸而无法一体成型大型风扇叶片的问题，提出并验证了一种带拉挤碳纤维杆（pultruded carbon fiber rod）增强的T型槽机械拼接（T-slot joint）方案，以实现超尺寸聚合物叶轮叶片的分段制造与可靠组装。现有文献多关注金属增材制造的整体叶轮或薄壁粘接重组，缺乏针对SLS聚合物大尺寸旋转叶片分段接头在拉伸与弯曲复合载荷下的系统评估。本研究通过几何迭代优化、力学实验及非线性有限元分析（Non-linear Finite Element Analysis, FEA），阐明接头应力集中部位与失效机理，并证实碳杆增强可大幅恢复接头弯曲承载能力。
研究人员采用的主要关键技术方法包括：使用EOS Formiga P 100设备以50/50新旧PA2200粉末配比进行SLS成型，确定最佳平铺成型方位；设计含公（male）-母（female）T型槽的五轮几何迭代试样（调整侧壁厚、自锁倾角15°~45°、内角圆角及颈部厚度），采用销轴加载定制拉伸试样与三点弯曲（three-point bending）试验；引入φ8 mm过盈配合拉挤碳纤维杆制作混合（hybrid）接头并测试；建立各向同性弹塑性PA2200材料模型（迭代校准杨氏模量E=710 MPa，泊松比ν=0.39）及碳杆各向异性简化模型，利用ANSYS进行全局-子模型（submodeling）非线性接触摩擦（μ=0.4 PA2200间，μ=0.2 PA2200-碳杆）FEA并与实验力-位移曲线对标验证。
1. Design Concept and Joint Selection（接头选型与设计理念）
研究人员对比榫形（dovetail）、U形、Ω形、枞树形（fir-tree）、圆柱销及第三方嵌件等多种机械互锁构型，排除焊接与胶粘（不可拆卸、需后处理）。最终选用带15°内倾自锁角的改性T型槽，因其几何简洁、易SLS成型且在离心与弯曲载荷下有较好平衡，优于易松动或需过高精度的方案。
2. Iterative Design and Experimental Evaluation（迭代设计与实验评估）
经五轮迭代：第一轮增加槽侧壁厚避免外壁脆性开裂；第三轮增大自锁角至45°反致应力集中恶化被弃用；第四轮加大内角圆角促延性变形但引起槽口张开滑脱；第五轮回归第二轮成功几何并微量加厚公头颈部使失效回迁至母槽外壁且呈延性断裂。最终版平均破坏拉力1007.1 N（变异系数2.83%），临界截面应力σjoint=27.6 MPa，安全系数SF=27.6/10.96≈2.52＞设计要求的2.0（对应21.9 MPa）。
3. FEA Analysis of the Tensile Test (Iteration 5)（拉伸工况有限元分析）
子模型显示最大主应力与接触压力峰值位于母槽圆角（女件最大主应力74 MPa，法向应力65 MPa，超材料UTS 48 MPa），等效塑性应变峰84%，与实验裂纹萌生位置一致；公头应力较低。校准E使模拟反力与实验偏差约6%，确认圆角为最危险区域。
4. Bending Test and Stiffening Strategy（弯曲测试与增强策略）
未增强T型槽接头三点弯曲峰值力较整体PA2200试样下降73.4%（均值1229.4 N vs 4620.2 N）。FEA指出母槽圆角等效塑性应变峰78%，公头颈部53.6%。嵌入φ8 mm过盈配合碳纤维杆后，弯曲峰值力提升至4163.6 N（较未增强提高238.7%，达整体材料90.5%），碳杆承担主要弯矩使聚合物槽角应力降至UTS以下；最终失效为碳杆内部纤维在900–1050 MPa拉/压应力下断裂，聚合物接头完好。碳杆同时消除段间微间隙引起的角向错位。
5. Application on Real Fan Blade（实际风扇叶片应用）
外径920 mm、内径230 mm叶轮因SLS成型舱限制分三段拼接，每段植入两根碳杆。实际制造中前缘略有翘曲致杆孔微偏，需补钻修正并做动平衡补偿，不影响T型槽功能。组装后成功安装于风洞实验台。
讨论与结论总结
研究人员经迭代将接头失效模式由脆性转为延性，最终T型槽抗拉强度27.6 MPa（安全系数2.5）。非线性FEA采用50/50粉末配比校准E=710 MPa（低于文献 virgin PA2200之1500–1700 MPa），预测与实验峰值力偏差拉伸1.1%、弯曲1.6%。FEA子模型量化母槽圆角等效塑性应变拉伸84%、弯曲78%为裂纹源。φ8 mm拉挤碳杆使弯曲强度提升238.7%，恢复整体材料90.5%性能，失效归因于杆内纤维断裂（900–1050 MPa），聚合物本体未坏。碳杆增重约5%/段，小于SLS件固有±3%质量波动，不影响动平衡。该混合T型槽拼接法提供可拆卸、高强度的大型聚合物AM分段解决方案，未来需考察剪切与扭转载荷表现。
结论（Conclusions）译文：
本研究成功开发并验证了一种适用于大型SLS成型件的分段T型槽拼接方法。通过结合迭代设计与非线性有限元分析（FEA），为克服增材制造成型体积限制提供了稳健框架。主要发现如下：(1) 迭代优化（第1–5轮）将接头失效由侧壁脆性断裂转变为较稳定延性变形，最终平均抗拉强度27.6 MPa，对风扇叶片离心载荷要求具2.5倍安全系数；(2) 采用50/50粉末回用比校准杨氏模量710 MPa的非线性FEA模型高精度预测力学行为，数值与实验峰值反力偏差拉伸1.1%、三点弯曲1.6%；(3) FEA子模型定位T型槽内圆角半径为应力集中区，局部等效塑性应变拉伸峰值84%、弯曲峰值78%，为裂纹萌生源；(4) 植入φ8 mm拉挤碳纤维杆使接头弯曲强度较无增强T型槽提升238.7%，恢复整体材料90.5%强度，有效缓解分段装配的结构性能折损；(5) 混合接头失效归因为碳纤维杆内纤维断裂（900–1050 MPa拉/压应力），聚合物接头保持完整，避免灾难性脱离；(6) 碳杆引入单段约5%质量增加，相较SLS制件固有~3%质量波动可忽略，不影响最终组件动平衡。综上，所提混合T型槽接头为模块化聚合物增材制造提供高强度、可拆卸及可扩展之解决方案，后续将研究该系统在动态扭转与剪切载荷下之表现以拓展于高速旋转机械工业应用。
