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)計機(jī)遇和創(chuàng)新應(yīng)用
時間：2022-01-13 11:05 來源：復(fù)合材料力學(xué) 作者：admin 閱讀：次
增材制造技術(shù)因能快速、高效地創(chuàng)造具有多種材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)和集成功能的產(chǎn)品而廣受關(guān)注。該變革技術(shù)的發(fā)展也為連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料制造領(lǐng)域帶來了新機(jī)遇。然而，現(xiàn)有研究工作大多專注于工藝和設(shè)備開發(fā)，尚未充分和系統(tǒng)地利用連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)材增材技術(shù)(Continuous
Fiber Reinforced Polymer Composite- Additive Manufacturing,
CFRP-AM)所帶來的新型設(shè)計空間以實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新與應(yīng)用。針對該現(xiàn)狀，南方科技大學(xué)熊異、周利民教授團(tuán)隊近日在《Composites
Communications》上發(fā)表了題為“Additive manufacturing of continuous fiber
reinforced polymer composites: Design opportunities and novel
applications”的研究綜述論文，對連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)材增材制造中的設(shè)計機(jī)遇和創(chuàng)新應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性梳理，闡明了該研究領(lǐng)域的當(dāng)前進(jìn)展和未來發(fā)展趨勢。該文從共性功能需求出發(fā)總結(jié)現(xiàn)有CFRP-AM技術(shù)，提出面向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)材增材設(shè)計的核心概念，重點圍繞材料、工藝和結(jié)構(gòu)等設(shè)計域明晰設(shè)計問題及求解思路，展望了通過CFRP-AM技術(shù)賦能的智能可變體、智能傳感、能量存儲以及超材料等創(chuàng)新應(yīng)用。
1.面向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)材增材設(shè)計
同傳統(tǒng)制造工藝（如RTM、FW、ATP/AFP等）相比，CFRP-AM采用離散-堆積原理，極大地增加了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的設(shè)計自由度，允許逐點、逐域控制纖維分布、方向等設(shè)計變量以滿足更為復(fù)雜的性能需求。如圖1所示，CFRP-AM的設(shè)計空間可劃分為材料、工藝、結(jié)構(gòu)等三個設(shè)計域。設(shè)計域具有高維度和強(qiáng)耦合等特征，即性能目標(biāo)受大量設(shè)計參數(shù)影響且參數(shù)間存在相互關(guān)聯(lián)作用。上述挑戰(zhàn)要求面向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)材增材設(shè)計方法必須采用多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化思想，在考慮制造約束的情況下，圍繞材料-工藝-結(jié)構(gòu)-性能映射關(guān)系，最大化復(fù)材增材的多性能設(shè)計目標(biāo)。
2.CFRP-AM技術(shù)
2.1.CFRP-AM技術(shù)功能結(jié)構(gòu)
如圖2所示，CFRP-AM技術(shù)的功能結(jié)構(gòu)同常規(guī)增材制造工藝相似，但對材料存儲、材料輸入和界面粘合方面存在獨特需求。工程師可以將此功能結(jié)構(gòu)框圖同形態(tài)功能學(xué)矩陣結(jié)合作為概念設(shè)計工具以指導(dǎo)發(fā)明新的CFRP-AM工藝。
其中，聚合物基體和增強(qiáng)纖維之間的粘合是最關(guān)鍵的子功能。圖3歸納了三種CFRP-AM中纖維與基體粘合的方法：1)預(yù)浸漬法、2)在線浸漬法和3)原位浸漬法。對于預(yù)浸漬，基體和增強(qiáng)材料分別制備為絲材（圖 3 (a)）、帶材（圖 3 (b)）和片材（圖 3 (c)）形式的預(yù)浸料。對于原位浸漬，干纖維或帶有預(yù)浸潤的纖維在噴嘴內(nèi)共擠出，如圖 3（d）和（e）所示。進(jìn)料機(jī)構(gòu)可以基于齒輪、柱塞或螺桿等方式。另外，也可以采用如圖3（f）所示的在線浸漬方法。
2.2.CFRP-AM技術(shù)分類
盡管國際標(biāo)準(zhǔn)定義有七類增材制造技術(shù)，常用于CFRP復(fù)材增材制造的主要包含材料擠出（ME）、定向能量沉積（DED）和分層實體制造（LOM）等三類技術(shù)。
2.2.1.材料擠出技術(shù)
材料擠出技術(shù)由于工作原理簡單、生產(chǎn)成本較低，是目前應(yīng)用最為廣泛的纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)材增材技術(shù)。相關(guān)設(shè)備僅需對噴嘴作簡要改變，如換用耐磨材料和優(yōu)化內(nèi)部腔道，即可實現(xiàn)短切纖維增強(qiáng)的聚合物復(fù)材加工。然而，針對連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工，設(shè)備的軟、硬件必須重新設(shè)計，如增加纖維進(jìn)料口、纖維切斷機(jī)構(gòu)等。值得注意的是一些創(chuàng)新解決方案，如體積材料供應(yīng)、快速加熱、預(yù)熱、涂膠、高壓浸漬和超聲輔助浸漬等也已被用來進(jìn)一步提高制造效率、精度和質(zhì)量。如圖4所示，采用三維 (3D) 微波原理的連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)材增材技術(shù)能大幅提高打印速度。
2.2.2.定向能沉積技術(shù)
如圖5所示，定向能沉積技術(shù)也被用于CFRP-AM，通過同步移動材料和能量源以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件成型。該技術(shù)用聚焦熱源(如激光)熔融原料，并將原料直接送到熔池，而非材料擠出技術(shù)中的噴嘴內(nèi)熔化。定向能沉積技術(shù)還可同二次工藝結(jié)合，利用輥、輪等對已沉積層進(jìn)行壓實，以消除空洞等缺陷，實現(xiàn)界面質(zhì)量的提高。DED技術(shù)可用于制造中、大型復(fù)合材料構(gòu)件，并且高效的能源利用使其具有相當(dāng)高的沉積速率。此外，集中的能量源使該工藝適用于高性能工程塑料的加工。由于這類材料具有較高的熔融溫度和粘度，很難通過材料擠出制造。盡管DED過程在某些方面同ATP/AFP過程類似，但其可以制備出曲率更大、特性更復(fù)雜的CFRP復(fù)合材料。
2.2.3.分層實體制造技術(shù)
圖6所示為典型的LOM工藝示意圖。該技術(shù)將預(yù)浸料片作為原料材料切割、堆疊、粘合以形成三維實體。由于LOM工藝原理獨特，僅需處理形狀輪廓而非整個橫截面區(qū)域，因此能實現(xiàn)高效制造。另外，采用傳統(tǒng)方法制備的預(yù)浸料使得制成件具有較高纖維體積分?jǐn)?shù)和較強(qiáng)纖維-基質(zhì)界面。
3.CFRP-AM設(shè)計機(jī)遇
相較于傳統(tǒng)制造方法，CFRP-AM的設(shè)計涉及材料、工藝和結(jié)構(gòu)等設(shè)計域的變量，極大地拓展了復(fù)材構(gòu)件的設(shè)計空間。本章節(jié)系統(tǒng)地總結(jié)了每個設(shè)計領(lǐng)域的計劃，并明晰相應(yīng)的設(shè)計策略，以充分挖掘和利用這一新穎的設(shè)計空間。
在CFRP-AM中，基體、增強(qiáng)材料和添加劑材料的選擇范圍很廣。圖8總結(jié)了常用材料及其力學(xué)性能。其中，基體材料主要包含熱塑性和熱固性樹脂，例如ABS、PLA、PC、TPU、PETG、PEEK等。增強(qiáng)材料主要有碳纖維，玻璃纖維，Kevlar纖維，天然黃麻纖維以及金屬纖維。添加劑主要包括碳納米管（CNTs）、石墨烯納米鍵(GNPs)和氨基（NH2-）等。此外，CFRP-AM還需要仔細(xì)考慮基體和增強(qiáng)材料彼此的熱、物理和化學(xué)性能。表1給出了不同3D打印技術(shù)所制造的CFRP復(fù)合材料的力學(xué)性能。
3.2.工藝設(shè)計
3.2.1.軌跡規(guī)劃
纖維力學(xué)性能的各向異性使得纖維排鋪軌跡規(guī)劃成為決定構(gòu)件整體性能一個關(guān)鍵因素。在早期的研究中，CFRP-AM中的纖維布局主要是通過對材料擠出工藝中直線、鋸齒、輪廓、蜂窩等簡單填充圖案進(jìn)行修改而得來。后續(xù)研究逐漸考慮小轉(zhuǎn)角、大曲率半徑等工藝約束帶來的打印缺陷，對纖維路徑進(jìn)行了改進(jìn)以減少纖維剪斷頻率，并避免尖角轉(zhuǎn)彎。同時，優(yōu)化了打印間隔和重疊比以避免材料溢出和孔隙等問題。此外，希爾伯特、螺旋曲線等復(fù)雜的填充圖案和計算幾何中的經(jīng)典算法，如歐拉路徑和中國郵差問題也被用于纖維路徑的軌跡規(guī)劃研究。
近期的研究主要聚焦于通過計算設(shè)計方法實現(xiàn)不同工況下更為復(fù)雜纖維鋪排路徑的自動化生成方法，以獲得力學(xué)性能更為優(yōu)異的復(fù)材構(gòu)件。該方法的核心是基于以有限元法等為代表的數(shù)值分析方法以確定局部的纖維方向和體積分?jǐn)?shù)。該方法首先以具有單一纖維取向和均勻纖維體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料作為初始設(shè)計。然后，在給定邊界和荷載條件下，通過數(shù)值方法分析該初始設(shè)計。通過對分析結(jié)果中荷載傳遞情況的觀察，根據(jù)不同的設(shè)計準(zhǔn)則來更新復(fù)合材料中的局部纖維軌跡。常用的設(shè)計準(zhǔn)則包括流體流線(見圖9 (a))、主應(yīng)力跡線(見圖9 (b)和(c))、指定應(yīng)力矢量(見圖9 (d))、剛度衰減矢量以及混合方法。根據(jù)設(shè)計中是否需要持續(xù)迭代，該方法可進(jìn)一步劃分為一次性和多次迭代兩種類型。一次性法在不考慮更新設(shè)計與初始設(shè)計之間差異的情況下，對纖維排鋪僅按上述設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行更新。而迭代法則持續(xù)該過程，反復(fù)更新設(shè)計并分析結(jié)果，對比實際性能和預(yù)期性能的差異，直到達(dá)到收斂限，完成優(yōu)化。
伴隨多軸CFRP-AM技術(shù)的日趨成熟，實現(xiàn)3維空間打印軌跡以取代現(xiàn)有2.5維空間打印軌跡已成為可能。如圖10 (a)所示，額外的制造自由度允許使用曲面對模型進(jìn)行切片以增加層間接觸面積，實現(xiàn)層間結(jié)合力的提高。同時，打印方向由單一方向變?yōu)槎鄠�方向可以減少復(fù)合材料各向異性。此外，多軸沉積還能通過優(yōu)化關(guān)鍵功能表面的打印路徑來減小階梯效應(yīng)，提高表面光潔度，如圖10 (b)所示。另外，3D打印軌跡被優(yōu)化以避免跳躍掃描以及減少后處理的工作量。
1.面向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)材增材設(shè)計
同傳統(tǒng)制造工藝（如RTM、FW、ATP/AFP等）相比，CFRP-AM采用離散-堆積原理，極大地增加了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的設(shè)計自由度，允許逐點、逐域控制纖維分布、方向等設(shè)計變量以滿足更為復(fù)雜的性能需求。如圖1所示，CFRP-AM的設(shè)計空間可劃分為材料、工藝、結(jié)構(gòu)等三個設(shè)計域。設(shè)計域具有高維度和強(qiáng)耦合等特征，即性能目標(biāo)受大量設(shè)計參數(shù)影響且參數(shù)間存在相互關(guān)聯(lián)作用。上述挑戰(zhàn)要求面向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)材增材設(shè)計方法必須采用多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化思想，在考慮制造約束的情況下，圍繞材料-工藝-結(jié)構(gòu)-性能映射關(guān)系，最大化復(fù)材增材的多性能設(shè)計目標(biāo)。
圖 1. 面向連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)材增材的設(shè)計域及相關(guān)方法
2.CFRP-AM技術(shù)
2.1.CFRP-AM技術(shù)功能結(jié)構(gòu)
如圖2所示，CFRP-AM技術(shù)的功能結(jié)構(gòu)同常規(guī)增材制造工藝相似，但對材料存儲、材料輸入和界面粘合方面存在獨特需求。工程師可以將此功能結(jié)構(gòu)框圖同形態(tài)功能學(xué)矩陣結(jié)合作為概念設(shè)計工具以指導(dǎo)發(fā)明新的CFRP-AM工藝。
圖 2. CFRP-AM技術(shù)的功能結(jié)構(gòu)及其同常規(guī)增材制造的區(qū)別
其中，聚合物基體和增強(qiáng)纖維之間的粘合是最關(guān)鍵的子功能。圖3歸納了三種CFRP-AM中纖維與基體粘合的方法：1)預(yù)浸漬法、2)在線浸漬法和3)原位浸漬法。對于預(yù)浸漬，基體和增強(qiáng)材料分別制備為絲材（圖 3 (a)）、帶材（圖 3 (b)）和片材（圖 3 (c)）形式的預(yù)浸料。對于原位浸漬，干纖維或帶有預(yù)浸潤的纖維在噴嘴內(nèi)共擠出，如圖 3（d）和（e）所示。進(jìn)料機(jī)構(gòu)可以基于齒輪、柱塞或螺桿等方式。另外，也可以采用如圖3（f）所示的在線浸漬方法。
圖 3. 纖維與基質(zhì)粘合的不同解決方案
2.2.CFRP-AM技術(shù)分類
盡管國際標(biāo)準(zhǔn)定義有七類增材制造技術(shù)，常用于CFRP復(fù)材增材制造的主要包含材料擠出（ME）、定向能量沉積（DED）和分層實體制造（LOM）等三類技術(shù)。
2.2.1.材料擠出技術(shù)
材料擠出技術(shù)由于工作原理簡單、生產(chǎn)成本較低，是目前應(yīng)用最為廣泛的纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)材增材技術(shù)。相關(guān)設(shè)備僅需對噴嘴作簡要改變，如換用耐磨材料和優(yōu)化內(nèi)部腔道，即可實現(xiàn)短切纖維增強(qiáng)的聚合物復(fù)材加工。然而，針對連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工，設(shè)備的軟、硬件必須重新設(shè)計，如增加纖維進(jìn)料口、纖維切斷機(jī)構(gòu)等。值得注意的是一些創(chuàng)新解決方案，如體積材料供應(yīng)、快速加熱、預(yù)熱、涂膠、高壓浸漬和超聲輔助浸漬等也已被用來進(jìn)一步提高制造效率、精度和質(zhì)量。如圖4所示，采用三維 (3D) 微波原理的連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)材增材技術(shù)能大幅提高打印速度。
圖 4.（左）連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的3D微波打印工藝；（右）3D微波打印機(jī)
2.2.2.定向能沉積技術(shù)
如圖5所示，定向能沉積技術(shù)也被用于CFRP-AM，通過同步移動材料和能量源以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件成型。該技術(shù)用聚焦熱源(如激光)熔融原料，并將原料直接送到熔池，而非材料擠出技術(shù)中的噴嘴內(nèi)熔化。定向能沉積技術(shù)還可同二次工藝結(jié)合，利用輥、輪等對已沉積層進(jìn)行壓實，以消除空洞等缺陷，實現(xiàn)界面質(zhì)量的提高。DED技術(shù)可用于制造中、大型復(fù)合材料構(gòu)件，并且高效的能源利用使其具有相當(dāng)高的沉積速率。此外，集中的能量源使該工藝適用于高性能工程塑料的加工。由于這類材料具有較高的熔融溫度和粘度，很難通過材料擠出制造。盡管DED過程在某些方面同ATP/AFP過程類似，但其可以制備出曲率更大、特性更復(fù)雜的CFRP復(fù)合材料。
圖 5. 用于CFRP-AM的定向能沉積技術(shù)
2.2.3.分層實體制造技術(shù)
圖6所示為典型的LOM工藝示意圖。該技術(shù)將預(yù)浸料片作為原料材料切割、堆疊、粘合以形成三維實體。由于LOM工藝原理獨特，僅需處理形狀輪廓而非整個橫截面區(qū)域，因此能實現(xiàn)高效制造。另外，采用傳統(tǒng)方法制備的預(yù)浸料使得制成件具有較高纖維體積分?jǐn)?shù)和較強(qiáng)纖維-基質(zhì)界面。
圖 6. 用于CFRP-AM的激光輔助分層實體制造技術(shù)
3.CFRP-AM設(shè)計機(jī)遇
相較于傳統(tǒng)制造方法，CFRP-AM的設(shè)計涉及材料、工藝和結(jié)構(gòu)等設(shè)計域的變量，極大地拓展了復(fù)材構(gòu)件的設(shè)計空間。本章節(jié)系統(tǒng)地總結(jié)了每個設(shè)計領(lǐng)域的計劃，并明晰相應(yīng)的設(shè)計策略，以充分挖掘和利用這一新穎的設(shè)計空間。
圖 7. 第3節(jié)的層次關(guān)系
3.1.材料設(shè)計在CFRP-AM中，基體、增強(qiáng)材料和添加劑材料的選擇范圍很廣。圖8總結(jié)了常用材料及其力學(xué)性能。其中，基體材料主要包含熱塑性和熱固性樹脂，例如ABS、PLA、PC、TPU、PETG、PEEK等。增強(qiáng)材料主要有碳纖維，玻璃纖維，Kevlar纖維，天然黃麻纖維以及金屬纖維。添加劑主要包括碳納米管（CNTs）、石墨烯納米鍵(GNPs)和氨基（NH2-）等。此外，CFRP-AM還需要仔細(xì)考慮基體和增強(qiáng)材料彼此的熱、物理和化學(xué)性能。表1給出了不同3D打印技術(shù)所制造的CFRP復(fù)合材料的力學(xué)性能。
圖 8. 用于CFRP-AM的材料及其力學(xué)性能
表 1 不同CFRP-AM制造技術(shù)的復(fù)合材料力學(xué)性能比較 (連續(xù)碳纖維：CCF；連續(xù)玻璃纖維：CGF；連續(xù)Kevlar纖維：CKF；光固化技術(shù)：SLA；墨水直寫技術(shù)：DIW)
3.2.工藝設(shè)計
3.2.1.軌跡規(guī)劃
纖維力學(xué)性能的各向異性使得纖維排鋪軌跡規(guī)劃成為決定構(gòu)件整體性能一個關(guān)鍵因素。在早期的研究中，CFRP-AM中的纖維布局主要是通過對材料擠出工藝中直線、鋸齒、輪廓、蜂窩等簡單填充圖案進(jìn)行修改而得來。后續(xù)研究逐漸考慮小轉(zhuǎn)角、大曲率半徑等工藝約束帶來的打印缺陷，對纖維路徑進(jìn)行了改進(jìn)以減少纖維剪斷頻率，并避免尖角轉(zhuǎn)彎。同時，優(yōu)化了打印間隔和重疊比以避免材料溢出和孔隙等問題。此外，希爾伯特、螺旋曲線等復(fù)雜的填充圖案和計算幾何中的經(jīng)典算法，如歐拉路徑和中國郵差問題也被用于纖維路徑的軌跡規(guī)劃研究。
近期的研究主要聚焦于通過計算設(shè)計方法實現(xiàn)不同工況下更為復(fù)雜纖維鋪排路徑的自動化生成方法，以獲得力學(xué)性能更為優(yōu)異的復(fù)材構(gòu)件。該方法的核心是基于以有限元法等為代表的數(shù)值分析方法以確定局部的纖維方向和體積分?jǐn)?shù)。該方法首先以具有單一纖維取向和均勻纖維體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料作為初始設(shè)計。然后，在給定邊界和荷載條件下，通過數(shù)值方法分析該初始設(shè)計。通過對分析結(jié)果中荷載傳遞情況的觀察，根據(jù)不同的設(shè)計準(zhǔn)則來更新復(fù)合材料中的局部纖維軌跡。常用的設(shè)計準(zhǔn)則包括流體流線(見圖9 (a))、主應(yīng)力跡線(見圖9 (b)和(c))、指定應(yīng)力矢量(見圖9 (d))、剛度衰減矢量以及混合方法。根據(jù)設(shè)計中是否需要持續(xù)迭代，該方法可進(jìn)一步劃分為一次性和多次迭代兩種類型。一次性法在不考慮更新設(shè)計與初始設(shè)計之間差異的情況下，對纖維排鋪僅按上述設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行更新。而迭代法則持續(xù)該過程，反復(fù)更新設(shè)計并分析結(jié)果，對比實際性能和預(yù)期性能的差異，直到達(dá)到收斂限，完成優(yōu)化。
圖 9.纖維路徑優(yōu)化方法:(a)流體流線；(b)-(c)主應(yīng)力；(d)指向應(yīng)力矢量
伴隨多軸CFRP-AM技術(shù)的日趨成熟，實現(xiàn)3維空間打印軌跡以取代現(xiàn)有2.5維空間打印軌跡已成為可能。如圖10 (a)所示，額外的制造自由度允許使用曲面對模型進(jìn)行切片以增加層間接觸面積，實現(xiàn)層間結(jié)合力的提高。同時，打印方向由單一方向變?yōu)槎鄠�方向可以減少復(fù)合材料各向異性。此外，多軸沉積還能通過優(yōu)化關(guān)鍵功能表面的打印路徑來減小階梯效應(yīng)，提高表面光潔度，如圖10 (b)所示。另外，3D打印軌跡被優(yōu)化以避免跳躍掃描以及減少后處理的工作量。
圖 10. (a)單層單向正弦曲面及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的3D打印CFRP復(fù)合材料試樣；(b)針對復(fù)雜物體的非正交打印策略，以緩和階梯效應(yīng)，提高表面質(zhì)量
(責(zé)任編輯：admin)
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