纖維增強(qiáng)3D打印部件的仿真與設(shè)計(jì)

作者： 張俊康，田小永

連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印可制造出高強(qiáng)度、輕質(zhì)且價(jià)格相對(duì)便宜的高性能零部件，以實(shí)現(xiàn)在更少時(shí)間和資源下生產(chǎn)出性能優(yōu)異的產(chǎn)品。與由單向或編織層壓材料組成的常規(guī)復(fù)合材料相比，3D打印復(fù)合材料中的連續(xù)纖維可用于僅部分地增強(qiáng)每層或以完全填充的方式來(lái)增強(qiáng)零部件的機(jī)械性能。如何設(shè)計(jì)及利用這種新型3D打印復(fù)合材料部件機(jī)械結(jié)構(gòu)中的纖維分布以提高其機(jī)械性能是很有必要研究的。美國(guó)新墨西哥大學(xué)Nekoda van de Werken等人究了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)3D打印樣品的微觀結(jié)構(gòu)和熱機(jī)械性能，并利用有限元分析（FEA）來(lái)解釋并預(yù)測(cè)3D打印部件中的失效載荷和模式以得到最優(yōu)設(shè)計(jì)。

該團(tuán)隊(duì)首先對(duì)制造出的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印樣品的斷面進(jìn)行掃描電鏡觀測(cè)，結(jié)果表明，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印部件中存在相對(duì)大量的空隙，因此導(dǎo)致失效應(yīng)力低于理論預(yù)測(cè)。這些空隙是由于3D打印過程中逐層堆積所造成的，并且在拉伸測(cè)試過程中助長(zhǎng)了樣件斷裂失效的發(fā)生。同時(shí)，從纖維拉出的觀察結(jié)果還可得出，纖維和樹脂之間的界面強(qiáng)度相對(duì)較低。

圖1.碳纖維增強(qiáng)纖維及打印零件的掃描電子顯微照片。a）碳纖維增強(qiáng)纖維。b）打印樣品橫截面。c）打印復(fù)合材料部件中存在空隙。d）打印復(fù)合材料部件中的碳纖維。

為了深入了解其失效形式，該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，幾何形狀，填充模式和填充百分比顯著影響破壞強(qiáng)度和模式，并證明FEA模擬可以預(yù)測(cè)復(fù)雜失效情況下3D打印部件的機(jī)械性能及其斷裂模式。從研究結(jié)果可得出，在纖維間的小區(qū)域空隙中填充純樹脂材料會(huì)引起的應(yīng)力集中在較高的纖維含量下變得更加顯著。因此作為基本的設(shè)計(jì)方案，應(yīng)避免打印路徑即纖維之間的空隙，以避免在其空隙中填充純樹脂，以提高打印零部件的機(jī)械性能。

圖2. a）樣品的幾何形狀與填充模式，b）失效載荷下的法向應(yīng)力[MPa]， c）失效載荷下的剪切應(yīng)力[MPa]， d）失效載荷下的Tsai-Wu失效指數(shù)。

通過有限元分析（FEA）的手段可以對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印的零部件進(jìn)行分析使其在設(shè)計(jì)階段得到更優(yōu)的結(jié)構(gòu)，以得到更高的強(qiáng)度及更輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)。而對(duì)于此類新型的3D打印方式，如何將模擬仿真與設(shè)計(jì)建模進(jìn)行結(jié)合，通過數(shù)據(jù)模型自動(dòng)優(yōu)化得到優(yōu)異的結(jié)構(gòu)模型還需進(jìn)一步的研究與探索。

參考文獻(xiàn)
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.

供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室