黄色激情小说另类av_欧美一级片日韩精品_国产精品91熟女_亚洲手机在线自慰_免费国产v片手机视频_日本乱中文字幕在线系列_色偷偷人人澡久久超碰97超碰_亚洲A∨无码国产综合专区_精品欧洲AV无码专区毛片_综合五月天婷婷丁香

非平面增材制造（AM）在增強層間結合力和零件表面光滑度方面表現(xiàn)出巨大潛力，為連續(xù)纖維復合材料的設計與制造提供了更為靈活的解決方案，從而充分發(fā)揮材料性能。本研究開發(fā)了一種三軸打印機，該打印機采用可調節(jié)的纖維打印頭，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角對打印樣品表面粗糙度的影響，并設計打印了連續(xù)碳纖維（CF）、玻璃纖維（GF）及混合纖維復合材料的NPS樣品。此外，研究評估了打印件的彎曲失效形態(tài)，并通過制造雙正弦曲面結構和球面網(wǎng)格結構驗證了NPS方法的有效性。結果表明，為保證連續(xù)纖維打印零件的表面精度，沉積傾角應控制在15°以下。與平面切片（PS）方法相比，采用NPS方法打印的曲面彎曲樣品在彎曲性能和表面精度上顯著提升。其中，NPS-CF樣品的最大彎曲力提高了170%以上，表面粗糙度降低了63%。

連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料（CFRTC）因其重量輕、高強度、耐腐蝕、各向異性及可定制的材料特性，在航空航天、汽車和建筑等對輕量化有較高要求的制造領域中發(fā)揮著關鍵作用。增材制造（AM），又稱為三維（3D）打印，是一種通過逐層堆疊離散材料來制造零件的技術，理論上可以實現(xiàn)無需模具的快速制造復雜幾何形狀的單個零件。因此，AM技術為連續(xù)纖維增強復合材料零件的制造提供了快速高效的解決方案。此外，AM工藝顯著提高了內部纖維取向分布的設計靈活性，從而最大化連續(xù)纖維增強復合材料的減重和優(yōu)越設計能力。基于上述優(yōu)勢及巨大潛力，連續(xù)纖維復合材料的AM技術近年來備受關注并不斷發(fā)展。

熔融沉積成型（FDM）是一種傳統(tǒng)的材料擠出AM工藝，廣泛用于通過噴嘴擠出細絲來成型部件。該技術尤其在纖維增強復合材料的制造中應用廣泛，并與纖維的連續(xù)特性高度契合，使其成為連續(xù)纖維增強復合材料AM的重要工藝。為了增強打印復合材料中連續(xù)纖維的浸漬效果，預浸連續(xù)纖維絲材的使用已被證明是有效的，并已得到廣泛商業(yè)化。FDM-3D打印技術與連續(xù)纖維增強復合材料的結合顯著提升了打印件的整體力學性能，并在制備連續(xù)纖維增強復合材料時具有高材料利用率、設計靈活性高及可制造定制復雜形狀等多項優(yōu)勢。為提升連續(xù)纖維復合材料的打印質量，研究人員對纖維錯位和斷裂的形成機制及優(yōu)化的纖維沉積方法進行了研究，極大地豐富了連續(xù)纖維成形理論。然而，連續(xù)纖維FDM 3D打印技術普遍存在階梯效應、彎曲特征結合差以及厚度方向機械性能較弱等問題。

非平面AM是一種通過堆疊由非平面切片組成的材料層來成型零件的工藝，通?；诹慵膸缀涡螤罨蛐阅苄枨笤O計切片，而不是遵循傳統(tǒng)的固定平行平面層。非平面切片（NPS）已被廣泛應用于多軸3D打印中，并開發(fā)了一些先進的曲面切片工具來實現(xiàn)多個制造目標，如支撐結構減少、強度增強、表面質量提升及切片效率提高。Chen等人提出了一種基于應力場的刀具路徑生成方法，該方法自適應地控制刀具路徑分布密度，與應力值成正比，大幅提高了材料利用效率。Fang等人將曲線路徑規(guī)劃應用于連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料的制造中，纖維路徑在關鍵區(qū)域沿最大應力方向分布，從而在復雜承載打印件中實現(xiàn)優(yōu)異的力學性能。上述研究在多軸3D打印切片和連續(xù)纖維路徑規(guī)劃領域取得了重大突破。已有研究表明，非平面AM可以通過三軸打印機完成，并且已開發(fā)出多種NPS及路徑規(guī)劃方法。Ahlers等人提出了一種結合非平面和平面層的切片方法，使用Slic3r工具生成無碰撞刀具路徑，提升了物體表面平滑度和強度。Pelzer等人開發(fā)了具有可變層高的非平面路徑規(guī)劃算法，并引入了適用于非平面AM的噴嘴幾何選擇方法，結果顯示該方法制造的零件機械性能得到改善，彎曲頂面表面粗糙度降低了76%。三軸打印機用于非平面AM的優(yōu)勢在于設備結構簡單，切片與路徑規(guī)劃僅涉及三軸協(xié)調，增強了設備適應性。NPS可以顯著提升三軸打印機的制造能力，并拓展其應用市場。然而，目前針對三軸打印機進行連續(xù)纖維非平面AM的研究較少。另一方面，三軸打印機的非平面AM受限于沉積角度，難以打印出具有明顯曲率的層。因此，有必要研究基于三軸打印機的連續(xù)纖維復合材料非平面AM的制造能力及適用范圍。

通過改進纖維打印頭的設計，本文實現(xiàn)了在無幾何干涉的情況下以15°傾角打印，確保了良好的表面形貌。采用NPS方法制造了連續(xù)碳纖維（CF）、玻璃纖維（GF）及混合纖維復合材料的曲面樣品，并對其表面形貌和彎曲性能進行了研究。設計并制造了雙正弦曲面結構和曲面薄壁網(wǎng)格結構，驗證了該NPS方法的有效性和多樣性。本研究為連續(xù)纖維增強復合材料的非平面AM提供了寶貴的參考和指導。

2.1. 雙打印頭三軸增材制造平臺

本研究所使用的打印機是一臺定制的雙打印頭三軸打印機，該打印機在我們之前的研究中基于自制打印機進行了改裝，其中兩個打印頭分別用于平面增材制造（AM）和非平面AM模式。如圖1(a)所示，樹脂打印頭是固定的，而纖維打印頭則安裝在可沿Z軸垂直移動的滑臺上。纖維噴嘴的高度位置可以通過滑臺上的調節(jié)螺釘和止動螺釘進行調節(jié)和固定。在平面打印模式下（圖1(b1)），纖維噴嘴出口與樹脂噴嘴出口水平對齊，主要用于打印樹脂支撐部件。完成支撐打印后，需將纖維打印頭下調并固定，如圖1(b2)所示，以在非平面打印期間避免幾何干涉，然后進行連續(xù)纖維曲面層的打印。值得注意的是，纖維打印頭包括一個預浸連續(xù)纖維絲材切割機構，允許在打印過程中手動切換纖維類型，以制造混合纖維復合材料部件。

圖1. 連續(xù)纖維增強復合材料的雙打印頭及兩種打印模式的示意圖。(a) 為連續(xù)纖維增強復合材料的雙打印頭裝置；(b) 為兩種打印模式的示意圖，其中(b1) 為平面打印模式，(b2) 為非平面打印模式。

為了確定打印頭在曲面打印中的制造能力并優(yōu)化打印件的結構，有必要探索其可成型的傾斜角度范圍。如圖2(a)所示，由于噴嘴的結構干涉，最大沉積傾角為20°?；诖?，設計了一個包含 ±5°、±10°、±15°和 ±20° 傾斜平面的部件。該部件的具體尺寸如圖2(a)所示。該部件采用0°和90°纖維鋪設方式打印，其實物圖如圖2(c)所示。分別觀察并測量了各傾斜平面的形貌和表面粗糙度。圖4(d)展示了不同纖維方向下各傾斜平面的表面粗糙度結果。顯然，隨著傾斜角度的增加，表面粗糙度增加，當達到20°時，表面質量顯著下降。如圖2(e)所示，0°纖維排列表面的精度下降主要由于纖維路徑之間的臺階效應，而90°纖維排列表面則表現(xiàn)為路徑重疊及不可接受的間隙（圖2(f)）。因此，切片表面的切線斜率應小于tan 20°才能進行制造。斜率越大，纖維打印質量越差。這種現(xiàn)象可歸因于噴嘴對絲材的壓力不足、絲材底部的熱傳導不充分（熱塑性基體熔化以促進界面結合所必需），以及顯著的纖維斷裂。

為了獲得滿意的打印效果，切片表面的切線斜率應小于tan15°。

圖2. 纖維打印頭的最大沉積傾斜角度及打印樣件的各項特征。(a)為纖維打印頭的最大沉積傾斜角；(b)為尺寸圖；(c)為實物圖；(d)為不同傾斜平面的表面粗糙度結果；(e)和(f)為不同傾斜平面打印樣件的表面形貌。

2.2. 非平面切片

Rhino/Grasshopper是一種廣泛用于參數(shù)化曲面設計的可視化編程語言，也可用于增材制造（AM）的路徑規(guī)劃。基于上述打印設備情況，在Rhino/Grasshopper平臺上開發(fā)了一種切片程序，其切片過程如圖3所示。與典型的平面切片（PS）方法不同，在Rhino/Grasshopper中，可以選擇或構建任意曲面來均勻切片模型，切片間距代表打印層厚度。路徑規(guī)劃填充可以在切片曲面上執(zhí)行，并可選擇填充方向和填充率。隨后，依次連接各切片層的曲線，將曲線路徑劃分為多個段，識別各斷點的坐標，并基于段長計算材料擠出值，最終生成用于打印的G代碼文件。

圖3. 非平面切片（NPS）和增材制造（AM）方法的示意圖

圖4. 曲面樣件的不同特征。(a) 為曲面樣件的三維幾何尺寸圖；(b) 為打印的非平面切片（NPS）樣件和平面切片（PS）樣件；(d) 為彎曲測試的現(xiàn)場圖；(e) 為力-位移曲線；(f) 為曲面樣件的彎曲力結果。

支撐結構的三維模型通過將打印模型的底面拉伸至打印平面獲得，然后通過常規(guī)PS方法生成打印G代碼文件。值得注意的是，由于曲面切片過程是從下至上連接每個曲面切片層的曲線，這些曲線層的路徑規(guī)劃可以統(tǒng)一設置，也可對特定層進行單獨配置。打印順序首先在平面打印模式下打印支撐結構，然后調整噴嘴至最低點，開始在支撐表面進行連續(xù)纖維打印。

所使用的絲材為預浸尼龍樹脂的連續(xù)碳纖維（CF）和玻璃纖維（GF）（Markforged，美國）。根據(jù)官網(wǎng)信息和前期研究，連續(xù)纖維絲材的主要參數(shù)列于表1中。為方便后處理支撐的去除，選用柔性水溶性材料PVA樹脂（易生，PVA，中國）作為支撐材料。由于PVA樹脂與連續(xù)纖維浸漬的尼龍樹脂兼容性較差，因此在打印部件前需要在支撐表面貼上遮蔽膠帶，然后在膠帶表面涂抹聚合物粘合劑（Elmer's, e543，美國）。主要的打印工藝參數(shù)也列于表1中。

打印溫度主要由絲材中樹脂的熔點決定，打印層厚度設定為0.125 mm。純樹脂絲材的打印路徑寬度由打印噴嘴的直徑?jīng)Q定，設定為0.4 mm。預浸連續(xù)纖維絲材的打印過程本質上是對絲材進行壓制和展平，因此纖維絲材的打印路徑寬度（w）由打印層厚度（h）和絲徑（D）決定，其關系如公式所示：

根據(jù)計算，CF絲材的路徑寬度設定為0.815 mm，而GF絲材的路徑寬度設定為0.680 mm。

2.4 微觀結構觀察與力學測試

使用激光掃描顯微鏡（LSM，VK-X 200 K，日本基恩士）對所有打印的NPS樣品的表面形貌進行觀察，并測量其表面粗糙度。彎曲失效樣品的損傷形貌使用數(shù)碼顯微鏡（AM73915，大像素，中國）拍攝。彎曲測試由萬能試驗機（WDW-50E，時代，中國）進行，跨距為50 mm，加載速度為2 mm/min。每種類型至少測試五個樣品。

3.1 3D打印曲面樣品的表面粗糙度與彎曲行為

為探究和驗證NPS方法在提高零件性能和表面質量方面的有效性，設計了一種用于彎曲測試和表面形貌觀察的弧形樣件，其尺寸如圖4(a)所示，基于Li等人的研究。實際打印的樣品如圖4(b)所示，圖4(b1)和圖4(b2)分別為預浸漬連續(xù)CF和GF打印的樣品。特別地，圖4(b3)中的NPS(GF-CF)樣品是下半部分為GF、上半部分為CF的混合纖維打印件，而圖4(b4)中的NPS(CF-GF)樣品則相反。作為對比，CF和GF增強復合材料樣品采用平面切片法打印，如圖4(c)所示。所有樣品的纖維方向為0°。六種類型樣品的力-位移曲線和彎曲力結果分別顯示在圖4(e)和(f)中。

結果表明，對于CF和GF打印的樣品，非平面切片打印的樣品在彎曲承載能力方面明顯優(yōu)于平面切片打印的樣品。NPS-CF樣品的最大彎曲力（2.56 kN）是PS-CF樣品（0.92 kN）的2.7倍，NPS-GF樣品（1.85 kN）是PS-GF樣品（0.35 kN）的5.3倍。這充分證明了NPS方法在提升曲面結構彎曲性能方面的顯著優(yōu)勢。特別是，采用半CF和半GF打印的非平面切片樣品的最大彎曲力顯示出正向的混合效應，超過了按復合材料混合規(guī)則計算的加權值（2.20 kN）。NPS(CF-GF)樣品的最大彎曲力（2.45 kN）與NPS-CF樣品相當，而NPS(GF-CF)樣品的最大彎曲力（3.43 kN）比NPS-CF樣品高出34%以上?；谶B續(xù)纖維相較于短纖維的優(yōu)異力學性能，本實驗中觀察到的樣品最大彎曲力是由短CF增強PLA復合材料制成的曲面樣品（1.10 kN）的2-3倍。然而，與各自材料的平面切片打印件相比，曲面切片打印件在性能上的提升效果（2-3倍）是相似的。

圖5展示了采用PS和NPS方法打印的樣品的彎曲失效形貌?？梢杂^察到，NPS打印樣品的彎曲失效位置位于平面-曲面連接處而非加載位置（圖5(a1)和5(b1)），這是由于該區(qū)域的層間結合面積最小，導致分層為失效模式（圖5(a2)和5(b2)），使樣品過早失效，無法發(fā)揮連續(xù)纖維的承載作用。相比之下，NPS打印的樣品表現(xiàn)出加載位置的失效區(qū)域，盡管在加載過程中上端可能因擠壓而發(fā)生分層，但最終的失效模式為沿載荷方向的斷裂（圖5(c2)和5(d2)）。值得注意的是，如圖4(e)所示，與NPS-CF樣品不同，NPS-GF樣品的力-位移曲線在達到峰值后逐漸上升至最大失效彎曲力。這歸因于GF具有優(yōu)異的韌性和較大的失效應變，導致層間剪切為主要失效機制，直到下端的GF在拉伸應力作用下最終斷裂，導致完全失效。

圖5. 采用單纖維打印的失效試樣的實物圖及其側面形貌：(a1, a2) PS-CF 試樣，(b1, b2) PS-GF 試樣，(c1, c2) NPS-CF 試樣和 (d1, d2) NPS-GF 試樣。

圖6顯示了使用混合碳/玻璃纖維復合材料制造的兩個NPS試樣的彎曲失效形貌。NPS(CF-GF) 試樣的側面形貌顯示，由于壓縮作用，靠近加載位置的GF層發(fā)生分層失效，而遠離加載位置的CF層發(fā)生斷裂失效（圖6(a2)）。當試樣接近水平位置加載時，NPS(CF-GF) 試樣的CF層完全斷裂（圖6(a3)）。該試樣的力-位移曲線與NPS-CF試樣相似，最終在達到NPS-CF試樣失效位移位置時發(fā)生失效（圖4(e)）。相比之下，NPS(GF-CF) 試樣的側面形貌顯示CF層發(fā)生多次壓縮斷裂（圖6(b2)）。在CF層首次壓縮斷裂時，具有較高失效應變的GF層尚未斷裂（圖6(b3)），并且壓縮的CF層繼續(xù)承載，直到GF層完全斷裂，導致試樣完全失效（圖6(b2)）。這一過程與圖4(e)中NPS(GF-CF)試樣的力-位移曲線一致。當NPS(GF-CF)試樣達到接近其最大彎曲力的首次峰值時，遠離加載位置的GF層未斷裂，整個試樣繼續(xù)承載，直到GF層失效。由此可見，通過合理的混合纖維配置，可以顯著提高曲面試樣的彎曲抗力。

圖6. 混合纖維打印的失效試樣的實物圖、側面形貌及彎曲測試現(xiàn)場圖：(a1, a2 和 a3) NPS(CF-GF) 試樣，(b1, b2 和 b3) NPS(GF-CF) 試樣。

在進行彎曲測試之前，分別對使用單一CF和GF打印的NPS和PS試樣的表面形貌進行了檢查。圖7(a)顯示了區(qū)域1（平面與曲面的交界處）和區(qū)域2（曲面最高點附近），這兩個區(qū)域被選作表面形貌觀察和表面粗糙度測量的部位。NPS和PS試樣的表面粗糙度結果如圖7(b)所示。顯然，無論使用何種纖維，NPS試樣的表面粗糙度明顯低于PS試樣。NPS-CF樣品的表面粗糙度為22.8 μm，約為PS-CF樣品（62.0 μm）的35%；而NPS-GF樣品的表面粗糙度為17.6 μm，約為PS-GF樣品（77.2 μm）的23%。通過分析四種類型樣品在選定區(qū)域的表面形貌和輪廓曲線，可以看出，PS-CF樣品的表面存在斷裂的CF，而PS-GF樣品則顯示了GF路徑的拐角。PS樣品在曲面位置顯示出不平整和階梯狀的輪廓曲線，嚴重影響其力學性能。相反，纖維沿表面輪廓鋪設的NPS樣品表面更平滑，輪廓更加均勻，從而顯著降低了表面粗糙度。

圖7. (a) 表面形貌觀察區(qū)域，(b) NPS和PS樣品的表面粗糙度結果，以及四種樣品的實物圖和三維表面形貌：(c) NPS-CF樣品，(d) PS-CF樣品，(e) NPS-GF樣品，(f) PS-GF樣品。

綜上所述，與平面切片方法相比，沿表面輪廓進行非平面切片（NPS）方法在彎曲性能和表面精度方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。特別是，通過適當?shù)幕旌侠w維配置，NPS方法有望進一步提升曲面試樣的彎曲性能。值得注意的是，本實驗所選取的曲面試樣是參考現(xiàn)有文獻設計的，具有一定的特殊性。因此，強度和表面粗糙度的改善效果可能不完全適用于其他形狀的曲面部件。

上述結果表明，基于三軸打印機的非平面打印方法能夠提升曲面部件的抗彎性能和表面精度。然而，前述單一弧形試樣的表面形狀相對簡單，切片層中的纖維排列單一。而在許多情況下，曲面部件具有更復雜的表面輪廓和纖維排列設置。此外，為減輕重量或滿足某些特定要求，采用多孔結構是曲面復合材料部件中的常見做法。因此，為驗證該方法在復雜曲面和多孔結構成形中的可行性，設計了兩種典型部件并進行了非平面增材制造：雙正弦曲面結構和曲面網(wǎng)格結構。雙正弦曲面部件的表面由兩個正弦曲線形成，切片層結合了不同類型和方向的連續(xù)纖維。曲面網(wǎng)格結構部件具有球形表面，切片層填充為網(wǎng)格狀。圖8(a和b)展示了雙正弦曲面部件的尺寸圖和實物圖，樣品厚度為2 mm。根據(jù)表1的打印參數(shù)，層厚度為0.125 mm，雙正弦曲面部件的分層方法為[90C/0C/90G/0G]。圖8(c)顯示了混合纖維復合材料制成的雙正弦曲面部件的實物圖和每層的打印流程，強調了在每層打印中對纖維類型、方向和填充密度的可調性。

圖8. (a) 三維尺寸圖，(b) 實際打印樣品，(c) 雙正弦曲面部件的纖維布局及打印流程。

圖9. (a)展示了曲面網(wǎng)格結構的打印過程。整個部件是一個半徑為800 mm的曲面面板，其中央?yún)^(qū)域具有通孔。每個曲面層被分為密集填充部分和網(wǎng)格部分。圖9(a)詳細描述了打印過程，而圖9(b)則顯示了打印的曲面網(wǎng)格的實物圖?？椎谋诤窈统叽缈梢栽谝?guī)定范圍內進行調整。此外，通過非平面路徑規(guī)劃，還可以形成其他如六面體等曲面多孔結構。

圖9. (a) 曲面網(wǎng)格結構的打印流程，(b) 曲面網(wǎng)格結構的實物圖。

上述結果展示了該方法在曲面面板零件中的制造能力和優(yōu)勢，預期可應用于設備外殼的制造，如無人機機身等。本研究中設計和打印的所有部件均為等厚度，切片層通過提取曲面零件的表面陣列生成。然而，這種方法限制了制造非等厚度曲面部件的潛力。未來的研究將集中于改進切片層的劃分方法，以適應上下表面具有不同曲面形狀的非等厚度部件，從而釋放非平面增材制造（AM）在連續(xù)纖維增強復合材料中的全部潛力。

本研究探討了不同切片打印方法和材料配置對曲面打印件彎曲性能和表面形貌的影響。設計并非平面增材制造了兩種復雜結構，進一步驗證了所提出方法的適用性?？傻贸鲆韵陆Y論：

(1)沉積傾斜角的影響：打印樣品的沉積傾斜角增加會導致表面精度降低。當傾斜角為20°時，由于纖維噴嘴對纖維的熱壓不足，會導致纖維路徑出現(xiàn)空隙，大幅增加表面粗糙度，同時也會降低路徑間的粘結性能及部件性能。與15°傾斜表面相比，在20°傾斜表面上打印的0°和90°纖維布置的表面粗糙度分別增加了70%和120%。盡管優(yōu)化纖維打印頭噴嘴結構和提高提升行程可以解決打印干擾問題，但保持沉積傾斜角低于15°對于確保打印質量至關重要。

(2)NPS方法的優(yōu)越性：使用連續(xù)CF和GF的NPS方法打印的曲面樣品在彎曲性能和表面精度方面優(yōu)于傳統(tǒng)PS方法。以NPS-CF樣品為例，其最大彎曲力較PS-CF樣品提高了170%，表面粗糙度降低了63%。特別是，NPS(CF-GF)和NPS(GF-CF)樣品的最大彎曲力顯示出正向的混合效應，NPS(GF-CF)樣品的最大彎曲力比NPS-CF樣品高出34%。

(3)復雜結構打?。撼晒υO計并制造了雙正弦曲面結構，實現(xiàn)了各種類型和方向的連續(xù)纖維布置。此外，利用曲面切片層中的多孔路徑規(guī)劃，設計并制造了球形網(wǎng)格連續(xù)纖維復合結構。這些打印案例表明NPS方法在復雜曲面和曲面多孔結構方面具有優(yōu)于傳統(tǒng)PS方法的成形能力，結果驗證了該方法在連續(xù)纖維增強復合材料制造中的廣泛適用性。

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, Volume 32, 2024, Pages 4410-4419, ISSN 2238-7854, https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.09.032.