近日，Composites Science and Technology 期刊發(fā)表了一篇由南方科技大學(xué)、悉尼大學(xué)和悉尼科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)完成的關(guān)于增材制造碳纖維增強(qiáng)聚合物(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化的研究成果。該研究提出了一種結(jié)合水平集拓?fù)鋬?yōu)化、快速推進(jìn)纖維路徑設(shè)計(jì)及真空輔助熱后處理的綜合方法，有效克服了現(xiàn)有方法的局限性。論文標(biāo)題為“Enhancing Performance for Additively Manufactured Optimal CFRP Structures”。

1.CFRP拓?fù)浜屠w維路徑的優(yōu)化方法  

采用基于徑向基函數(shù)（Radial Basis Function, RBF）的水平集方法（Level Set Method, LSM），實(shí)現(xiàn)拓?fù)渑c纖維路徑的協(xié)同優(yōu)化。  

引入快速推進(jìn)技術(shù)，生成平滑且平行的纖維路徑，減少打印缺陷（如間隙和重疊），提高纖維對(duì)齊度。  

優(yōu)化后的彎曲板結(jié)構(gòu)剛度單位質(zhì)量比提升239%，纖維對(duì)齊指數(shù)（A_l)）達(dá)0.96。  

圖1 拓?fù)洳季峙c纖維路徑協(xié)同優(yōu)化流程圖

圖2 迭代過(guò)程與設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果

圖3 采用（a1-a3）與未采用（b1-b3）快速推進(jìn)技術(shù)的優(yōu)化結(jié)果對(duì)比：（a1）與（b1）：展示了不同優(yōu)化迭代步驟中的單元密度與纖維方向分布。（a2）與（b2）：基于水平集方法生成的纖維路徑及其對(duì)齊指數(shù)Al（A l值越高表示纖維對(duì)齊度越優(yōu)）。（a3）與（b3）：?jiǎn)卧獙?duì)齊指數(shù)的空間分布，直觀反映局部纖維排列一致性

2. 設(shè)計(jì)、制造與后處理   

設(shè)計(jì)優(yōu)化：以彎曲板為例，通過(guò)約束體積分?jǐn)?shù)（40%），優(yōu)化后平均柔度降低54.7%。  

增材制造：使用Markforged Mark Two商用3D打印機(jī)，連續(xù)碳纖維（直徑0.4 mm）與短纖維結(jié)合，填充間隙。  

真空輔助熱后處理：在70°C、100°C、120°C下施加1 atm壓力，孔隙率分別降低39.2%、44.3%、45.3%，位移減少10.8%~26.8%。  

圖4 彎曲板的邊界/載荷條件、設(shè)計(jì)域與初始設(shè)計(jì)示意圖

圖5 3D打印方案示意圖，藍(lán)色與白色線條：分別代表連續(xù)碳纖維絲與短碳纖維絲。（a）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)：左圖：設(shè)計(jì)的打印纖維路徑；右圖：實(shí)際打印樣品。（b）優(yōu)化設(shè)計(jì)：左圖：設(shè)計(jì)的打印纖維路徑；右圖：實(shí)際打印樣品

圖6 后處理導(dǎo)致的形貌與孔隙率變化：（a1）-（a2）：70℃后處理前后的對(duì)比；（b1）-（b2）：100℃后處理前后的對(duì)比；（c1）-（c2）：120℃后處理前后的對(duì)比

3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與模擬分析   

μCT建模：通過(guò)微計(jì)算機(jī)斷層掃描（μCT）重構(gòu)真實(shí)結(jié)構(gòu)模型，仿真誤差從23.9%降至2.8%。  

實(shí)驗(yàn)測(cè)試：使用Instron力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)與數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation, DIC）技術(shù)，驗(yàn)證優(yōu)化后結(jié)構(gòu)剛度單位質(zhì)量比提升47.0%~52.1%。  

后處理效果：120°C后處理使優(yōu)化結(jié)構(gòu)和經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的位移分別減少26.8%和26.5%。  

圖7 未經(jīng)后處理的增材制造CFRP樣品變形對(duì)比：（a）：數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）測(cè)試中的變形云圖；（b）：基于設(shè)計(jì)模型的變形仿真（理論優(yōu)化階段模型）；（c）：基于CT重構(gòu)模型的變形仿真（μCT掃描數(shù)據(jù)建立的真實(shí)結(jié)構(gòu)模型）

該研究提出了一種結(jié)合水平集拓?fù)鋬?yōu)化與纖維路徑設(shè)計(jì)的制造兼容框架，使增材制造碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）結(jié)構(gòu)的剛度單位質(zhì)量比提升2.39倍，并通過(guò)真空輔助熱后處理（120°C）進(jìn)一步減少變形26.8%?；谖⒂?jì)算機(jī)斷層掃描（μCT）的模型驗(yàn)證顯示仿真誤差低于10%，有效解決了纖維體積分?jǐn)?shù)低、孔隙率高等問(wèn)題，為輕量化高性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了系統(tǒng)性方案。

原始文獻(xiàn)  ：  

Xu, Y., Ye, L., Wu, C., Fang, J., Sun, G., Chen, Y., Man, Z., Steven, G. P., & Li, Q. (2025). Enhancing Performance for Additively Manufactured Optimal CFRP Structures. Composites Science and Technology, 111227. 

原文鏈接：

https:///10.1016/j.compscitech.2025.111227