低空經(jīng)濟是以各種有人駕駛和無人駕駛航空器的各類低空飛行活動為牽引，輻射帶動相關(guān)領(lǐng)域融合發(fā)展的綜合性經(jīng)濟形態(tài)。包括農(nóng)林植保、電力巡檢、空中游覽、航空運動、醫(yī)療救護等傳統(tǒng)和新興應用場景。低空經(jīng)濟的發(fā)展，特別是在無人機和電動垂直起降航空器（eVTOL）等領(lǐng)域，對輕量化、高強度材料的需求日益增長，這為碳纖維復合材料的應用提供了廣闊的市場空間。

     碳纖維是一種輕質(zhì)、高強度的材料，廣泛應用于航空航天、汽車、體育器材等領(lǐng)域。在低空經(jīng)濟中，碳纖維可用于制造無人機的結(jié)構(gòu)部件、eVTOL的機體和葉片等，以減輕重量、提高性能和燃油效率。例如，無人機和eVTOL的輕量化可以提高其續(xù)航能力、載重能力和操控性，這對于物流配送、空中攝影、農(nóng)業(yè)監(jiān)測等應用至關(guān)重要。

     隨著低空經(jīng)濟的快速發(fā)展，預計碳纖維的需求將會進一步增加。中國在碳纖維的研發(fā)和生產(chǎn)方面已經(jīng)取得了顯著進展，能夠自主生產(chǎn)高檔次的碳纖維，滿足國內(nèi)外市場的需求。這不僅有助于推動低空經(jīng)濟的發(fā)展，也為碳纖維產(chǎn)業(yè)帶來了新的增長點。

根據(jù)3D科學谷的市場了解，低空經(jīng)濟與碳纖維之間存在著密切的關(guān)系。低空經(jīng)濟的發(fā)展為碳纖維提供了新的應用領(lǐng)域和市場需求，而碳纖維的輕量化和高強度特性又為低空經(jīng)濟中的航空器提供了性能上的提升，兩者相互促進，共同推動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進步。

本期谷專欄，借助復合材料力學的分享，3D科學谷與谷友共同領(lǐng)略國內(nèi)在連續(xù)纖維增強復合材料的增材制造方面的新進展。

▲論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.09.032

“ 3D Science Valley 白皮書 圖文解析

”

3D科學谷發(fā)現(xiàn)

3D Science Valley Discovery

非平面增材制造（NPS）技術(shù)：

非平面增材制造（NPS）技術(shù)是一種創(chuàng)新的方法，允許在三軸打印機上制造連續(xù)纖維增強復合材料的復雜曲面和多孔結(jié)構(gòu)。這項技術(shù)通過改進纖維打印頭，使得打印頭可以在無幾何干涉的情況下以傾斜角度進行3D打印，從而提高了打印樣品的表面精度和彎曲性能。
在山東大學的研究中，通過非平面切片方法制備的連續(xù)碳纖維（CF）、玻璃纖維（GF）和混雜纖維復合材料的彎曲試樣顯示出了優(yōu)異的性能。非平面增材制造技術(shù)在復雜曲面和多孔結(jié)構(gòu)的制造中顯示出了巨大的潛力，它不僅能夠提高零件的性能和表面質(zhì)量，還能夠拓寬增材制造技術(shù)的應用范圍。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，未來在高性能復合材料的制造領(lǐng)域，NPS方法有望發(fā)揮更加重要的作用。

Insights that make better life

更好的表面質(zhì)量

一、導讀
增材制造技術(shù)為連續(xù)纖維增強復合材料零件提供了一種快速、高效、靈活的制造解決方案，近年來受到了相當大的關(guān)注并不斷發(fā)展。然而，傳統(tǒng)平面逐層堆積成形連續(xù)纖維3D打印技術(shù)存在一些常見問題，如臺階效應表造成的表面精度差和彎曲特征粘附性差導致的機械性能弱，而連續(xù)纖維的非平面制造方法有望解決這一問題，進一步發(fā)揮連續(xù)纖維材料的優(yōu)勢。

近日，國際著名期刊《Journal of Materials Research and Technology》發(fā)表了山東大學機械工程學院、山東大學高效清潔機械制造教育部重點實驗室和山東大學增材制造研究中心在基于三軸打印機開展的連續(xù)纖維復合材料的非平面增材制造方面的研究。文章開發(fā)了一種可調(diào)纖維打印頭的三軸打印機，實現(xiàn)了預浸連續(xù)纖維的非平面切片（NPS）增材制造。研究深入探討了沉積傾斜角度對打印樣品表面粗糙度的影響，從而實現(xiàn)使用連續(xù)碳纖維（CF）、玻璃纖維（GF）和混合纖維復合材料的NPS樣品的設計與打印。該研究還評估了打印部件的彎曲失效形態(tài)，并通過制造雙正弦曲面結(jié)構(gòu)和球面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)驗證了NPS方法的有效性。論文標題為“Non-planar additive manufacturing of pre-impregnated continuous fiber reinforced composites using a three-axis printer”。

二、內(nèi)容簡介
研究者通過改進纖維打印頭并且評估了其可成形傾斜角度范圍，可以實現(xiàn)在無幾何干涉的情況下以15°的傾斜角度進行打印，并保證良好的表面形態(tài)。采用非平面切片方法制備了由連續(xù)碳纖維、玻璃纖維和混雜纖維復合材料制成的彎曲試樣，并對其表面形態(tài)和彎曲性能進行了研究。

▲圖1.(a) 連續(xù)纖維增強復合材料的雙打印頭，(b) 兩種打印模式的示意圖，(b1) 平面打印模式，(b2) 非平面打印模式

▲圖2.不同傾斜角度面打印的樣品的表面形態(tài)

為了評估非平面切片方法在提高零件性能和表面質(zhì)量方面的有效性，研究者設計了一個弧形零件用于彎曲試驗和表面形態(tài)觀察。與使用傳統(tǒng)平面切片方法打印的樣品相比，使用非平面切片方法打印的連續(xù)碳纖維和玻璃纖維曲面樣品具有更好的彎曲性能和表面精度。與PS-CF樣品相比，NPS-CF樣品的最大彎曲力增加了170%，表面粗糙度降低了63%。此外，NPS(CF-GF)和NPS(GF-CF)樣品的最大彎曲力產(chǎn)生了積極的混合效應。NPS(CF-GF)樣品的最大彎曲力與NPS-CF樣品相當，而NPS(GF-CF)樣品的最大彎曲力甚至超過了NPS-CF樣品34%。

▲圖3. (a)曲面彎曲試樣的幾何尺寸圖，(b) 打印的非平面切片彎曲試樣和(b)平面切片彎曲試樣，(d) 彎曲試驗現(xiàn)場圖，(e) 力-位移曲線和(f) 彎曲試樣的彎曲力結(jié)果

此外，為了驗證該方法在復雜表面和多孔結(jié)構(gòu)成形中的可行性，研究者設計了兩個典型部件并制造了非平面增材制造：雙正弦彎曲結(jié)構(gòu)和彎曲網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這些打印案例突顯了NPS方法在形狀成型能力方面相較于傳統(tǒng)PS方法的優(yōu)勢，尤其是在復雜曲面和曲面多孔結(jié)構(gòu)的制造上，研究結(jié)果證實了所提方法在制造連續(xù)纖維增強復合材料方面的一定適用性。

▲圖 4. 雙正弦曲面結(jié)構(gòu)的纖維布局和打印流程

▲圖5. 曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的打印流程

三、小結(jié)
該研究基于三軸打印機成功對連續(xù)纖維增強復合材料進行非平面增材制造，與平面增材制造相比，非平面增材制造在連續(xù)纖維復合材料打印件的表面精度、力學性能及復雜結(jié)構(gòu)方面具有顯著優(yōu)勢。這項研究提升了3D打印連續(xù)纖維復合材料的制造水平，拓寬了普通三軸打印機的制造能力，同時也為基于多軸打印機的連續(xù)纖維復合材料非平面增材制造提供了一定的參考。

來源
復合材料力學 l

山東大學《JMRT》：利用三軸打印機進行連續(xù)纖維增強復合材料的非平面增材制造

原始文獻
Shouling Ding, Bin Zou, Qingyang Liu, Xinfeng Wang, Jikai Liu, Lei Li, Non-planar additive manufacturing of pre-impregnated continuous fiber reinforced composites using a three-axis printer,Journal of Materials Research and Technology, 2024, https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.09.032.

(責任編輯：admin)

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