纤维增强3D打印部件的仿真与设计

作者： 张俊康，田小永

连续纤维增强复合材料3D打印可制造出高强度、轻质且价格相对便宜的高性能零部件，以实现在更少时间和资源下生产出性能优异的产品。与由单向或编织层压材料组成的常规复合材料相比，3D打印复合材料中的连续纤维可用于仅部分地增强每层或以完全填充的方式来增强零部件的机械性能。如何设计及利用这种新型3D打印复合材料部件机械结构中的纤维分布以提高其机械性能是很有必要研究的。美国新墨西哥大学Nekoda van de Werken等人究了连续碳纤维增强3D打印样品的微观结构和热机械性能，并利用有限元分析（FEA）来解释并预测3D打印部件中的失效载荷和模式以得到最优设计。

该团队首先对制造出的连续纤维增强复合材料3D打印样品的断面进行扫描电镜观测，结果表明，连续纤维增强复合材料3D打印部件中存在相对大量的空隙，因此导致失效应力低于理论预测。这些空隙是由于3D打印过程中逐层堆积所造成的，并且在拉伸测试过程中助长了样件断裂失效的发生。同时，从纤维拉出的观察结果还可得出，纤维和树脂之间的界面强度相对较低。

图1.碳纤维增强纤维及打印零件的扫描电子显微照片。a）碳纤维增强纤维。b）打印样品横截面。c）打印复合材料部件中存在空隙。d）打印复合材料部件中的碳纤维。

为了深入了解其失效形式，该团队还进行了数值模拟。模拟结果显示，几何形状，填充模式和填充百分比显着影响破坏强度和模式，并证明FEA模拟可以预测复杂失效情况下3D打印部件的机械性能及其断裂模式。从研究结果可得出，在纤维间的小区域空隙中填充纯树脂材料会引起的应力集中在较高的纤维含量下变得更加显着。因此作为基本的设计方案，应避免打印路径即纤维之间的空隙，以避免在其空隙中填充纯树脂，以提高打印零部件的机械性能。

图2. a）样品的几何形状与填充模式，b）失效载荷下的法向应力[MPa]， c）失效载荷下的剪切应力[MPa]， d）失效载荷下的Tsai-Wu失效指数。

通过有限元分析（FEA）的手段可以对连续纤维增强复合材料3D打印的零部件进行分析使其在设计阶段得到更优的结构，以得到更高的强度及更轻质的结构。而对于此类新型的3D打印方式，如何将模拟仿真与设计建模进行结合，通过数据模型自动优化得到优异的结构模型还需进一步的研究与探索。

参考文献
Nekoda van de Werkena, Joel Hurleyb, Pouria Khanboloukia, Ali N. Sarvestania, Ali Y. Tamijanib, Mehran Tehrani, Design considerations and modeling of fiber reinforced 3D printed parts. Composites Part B, 160(2019):684-692.

供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室