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南科大《CoCo》綜述：連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造中的設(shè)計(jì)機(jī)遇和創(chuàng)新應(yīng)用(2)

時(shí)間：2022-01-13 11:05 來源：復(fù)合材料力學(xué) 作者：admin 閱讀：次

3.2.2.工藝參數(shù)優(yōu)化
工藝參數(shù)與打印件性能之間的映射關(guān)系是進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)。表2總結(jié)了文獻(xiàn)中已經(jīng)研究過的工藝-性能關(guān)系，包括大多數(shù)力學(xué)性能，如拉伸、彎曲、剪切和壓縮性能與工藝參數(shù)，如噴嘴溫度、層高、打印速度和打印間距等。然而，CFRP-AM中獨(dú)特的工藝參數(shù)，如纖維張力和纖維進(jìn)給速率，尚未得到深入的研究。

表 2 關(guān)于CFRP復(fù)合材料工藝-性能關(guān)系的文獻(xiàn)列表，表中不同顏色的含義:藍(lán)色-負(fù)相關(guān)，黃色-正相關(guān)，綠色-目前不可預(yù)測，灰色-尚未研究

3.3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.3.1.點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
CFRP-AM點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以顯著提高打印件的機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞性能。針對CFRP-AM點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量可歸納為三組：單胞形狀、空間排列方式以及單胞幾何參數(shù)。如圖11所示，單胞形狀主要包括矩形、圓形、蜂窩、菱形、梯形、波紋狀、箭頭狀和金字塔狀等形式。空間排列方式包括周期排列、功能梯度、混雜排列等。幾何參數(shù)主要包括單胞長度、壁厚和傾斜角度等。CFRP-AM打印件的密度/相對密度、等效泊松比、彈性模量、比模量、拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、能量吸收、比能量吸收、形狀恢復(fù)率和形狀恢復(fù)時(shí)間等性能指標(biāo)通常作為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)。

圖 11. 不同形狀的CFRP點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。(a) 矩形、圓形、蜂窩、菱形、梯形；(b) 箭頭形；(c) 波紋形；(d) 金字塔形

3.3.2.拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)
基于CFRP-AM的拓?fù)鋬?yōu)化主要挑戰(zhàn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝規(guī)劃之間的耦合。設(shè)計(jì)包括兩個(gè)任務(wù)：1）材料分配；2）工藝規(guī)劃。所面臨的主要研究問題包括纖維連續(xù)性、尺度分離、設(shè)計(jì)自由度降低以及復(fù)雜形狀復(fù)合材料的纖維取向優(yōu)化等。目前，基于CFRP-AM的拓?fù)鋬?yōu)化可分為兩種：先結(jié)構(gòu)拓?fù)浜蠊に囈?guī)劃的順序優(yōu)化（圖12（b））和結(jié)構(gòu)-工藝協(xié)同優(yōu)化。

圖 12. (a) 優(yōu)化的支架模型及其平滑變化的材料方向；(b) 先結(jié)構(gòu)拓?fù)浜蠊に噧?yōu)化

4.CFRP-AM的創(chuàng)新應(yīng)用
4.1.智能可變體
CFRP-AM中有多種實(shí)現(xiàn)打印件受激勵(lì)后改變形狀的機(jī)制。驅(qū)動(dòng)其變形的外部刺激可以是直接的環(huán)境溫度改變或者是對連續(xù)纖維通電加熱進(jìn)而產(chǎn)生溫度變化。對纖維軌跡、纖維體積分?jǐn)?shù)等工藝參數(shù)以及選擇性區(qū)域加熱進(jìn)行調(diào)控進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)CFRP-AM復(fù)合材料的智能可編程控制。
圖 13.(a) 4D打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物基底復(fù)合材料的焦耳熱致形狀恢復(fù)；(b)不同實(shí)驗(yàn)設(shè)置的可展開表面；(c)不同纖維含量的Kevlar-SMP復(fù)合材料的形狀恢復(fù)；(d)具有不同電壓輸入配置的CFRP復(fù)合材料的變形行為

4.2.智能傳感
利用連續(xù)纖維的電-機(jī)械性能可開發(fā)具有綜合傳感能力的復(fù)合材料，如金屬纖維應(yīng)變傳感器、碳纖維二維變形場智能傳感網(wǎng)格以及碳纖維自我監(jiān)測傳感器，如圖14所示。
圖 14. (a) 印刷鎳鉻絲增強(qiáng)PLA復(fù)合材料；(b) 二維變形場智能傳感網(wǎng)格；(c) 嵌入碳纖維的3D打印人工手

4.3.能量存儲(chǔ)
增材制造允許制造具有定制形式的結(jié)構(gòu)電池復(fù)合材料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無質(zhì)量儲(chǔ)能。圖15所示為基于CFRP-AM技術(shù)的3D打印復(fù)合材料電池。
圖 15. 由紫外線輔助共擠出制造(左)和和通過熔融沉積模型制造（右）的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)電池

4.4.其他應(yīng)用
CFRP-AM的另一應(yīng)用是通過復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)具有定制化性能超材料的開發(fā)，圖16為基于CFRP-AM技術(shù)的具有聲學(xué)、負(fù)泊松比特性、電磁波吸收和屏蔽方面性能的超材料應(yīng)用。

圖 16. CFRP超材料: (a) 具有不同配置和制造樣品的局部共振聲學(xué)超材料；(b) 具有可控屏蔽效果的CF復(fù)合材料外殼；(c) 用于電磁波吸收和屏蔽的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；(d) 具有負(fù)泊松比的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合超材料

總結(jié)
該文主要結(jié)論可歸納為以下幾點(diǎn)：
1.CFRP-AM 的設(shè)計(jì)包含多個(gè)設(shè)計(jì)域，設(shè)計(jì)域具有高維度和強(qiáng)耦合等特征。
2.不同增材制造技術(shù)已被用于CFRP復(fù)合材料的制造。然而，增材制造的CFRP復(fù)合材料力學(xué)性能仍遠(yuǎn)低于通過傳統(tǒng)方法制造獲得的構(gòu)件，力學(xué)性能需要進(jìn)一步提高才能應(yīng)用于工業(yè)。
3.目前對CFRP-AM材料設(shè)計(jì)研究主要通過結(jié)合不同的傳統(tǒng)熱塑性或熱固性基體材料來提高機(jī)械性能。然而，關(guān)于基體和增強(qiáng)材料的化學(xué)或物理改性和預(yù)處理的研究仍然很少。此外，由于對智能器件需求的不斷增長，因此非常需要通過CFRP-AM賦予零件包含熱、電、磁等在內(nèi)的多種功能。
4.CFRP-AM的纖維鋪排軌跡規(guī)劃極大地影響了制成件力學(xué)性能。纖維方向和體積分?jǐn)?shù)的局部調(diào)控為優(yōu)化CFRP復(fù)合材料性能創(chuàng)造了新的可能性。空間連續(xù)路徑規(guī)劃策略以及性能驅(qū)動(dòng)的纖維布置需要進(jìn)一步研究。
5.基于實(shí)驗(yàn)的方法已經(jīng)對工藝參數(shù)對CFRP打印件的性能的影響進(jìn)行了廣泛的研究。然而，在前期研究中獲得的大部分工藝-性能關(guān)系尚未用于設(shè)計(jì)優(yōu)化。未來的研究應(yīng)將重點(diǎn)放在將這些映射關(guān)系納入產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。
6.點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和拓?fù)鋬?yōu)化為設(shè)計(jì)具有可調(diào)機(jī)械性能同時(shí)保持輕量化的3D打印CFRP復(fù)合結(jié)構(gòu)提供了巨大的潛力。然而，復(fù)雜形狀復(fù)合材料的纖維不連續(xù)性、尺度分離和纖維取向優(yōu)化等挑戰(zhàn)需要進(jìn)一步研究。
7.CFRP-AM具有一體化成形多功能復(fù)材的巨大潛力，可以將執(zhí)行器、傳感器和能量存儲(chǔ)模塊等元件一體化集成到同一設(shè)備中，從而降低成本并提供更好的結(jié)構(gòu)完整性,為智能設(shè)備的開發(fā)鋪平了道路。

原始文獻(xiàn)：
Guang Liu, Yi Xiong, Limin Zhou, Additive manufacturing of continuous fiber reinforced polymer composites: Design opportunities and novel applications, Composites Communications, Volume 27, 2021, 100907, ISSN 2452-2139, https://doi.org/10.1016/j.coco.2021.100907.

(責(zé)任編輯：admin)

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