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圖片來源：遼寧日報 連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料（Continuous Fiber-Reinforced Thermoplastic Composites；CFRTPCs）的3D打印技術因輕量化、高比強度等優(yōu)勢在航空航天領域備受關注。然而，打印過程中殘余應力導致的變形問題長期阻礙其工程化應用?，F(xiàn)有研究存在三大局限：一是缺乏對預浸絲微觀溫度梯度的原位測量；二是忽略打印力場（壓力/張力）對殘余應力的影響；三是單尺度建模方法難以同時精確模擬擠出過程溫度場與打印過程應力場。這些問題導致變形預測誤差高達20%，嚴重制約高精度制造。 為解決上述挑戰(zhàn)，北京航空航天大學研究團隊提出多尺度工藝建模方法。創(chuàng)新點之一在于開發(fā)了溫度敏感預浸絲：在日本東麗T800H碳纖維與PA6尼龍復合過程中植入直徑100μm的超細熱電偶，實現(xiàn)從擠出到冷卻的全生命周期微區(qū)溫度追蹤。圖4(b)顯示，熱電偶ii精準捕獲絲材中心溫度變化，而傳統(tǒng)模型對此完全忽略。論文標題為"Process modeling and deformation prediction of 3D printed continuousfiber-reinforced composites based on in-situ micro-scale measuring"。   研究人員搭建了原位力場監(jiān)測平臺，通過薄膜壓力傳感器（DP9-40）與力傳感器（JLBS-M2）同步采集層厚相關的壓力/張力數(shù)據(jù)?；趯崪y數(shù)據(jù)，建立擠出-打印耦合模型：先通過CT掃描重建噴嘴內(nèi)絲材幾何構型，模擬擠出過程瞬態(tài)溫度場；再結合"單元生死"技術動態(tài)加載溫度、壓力、張力邊界條件，預測打印件殘余應力與變形。 實驗驗證表明，該模型顯著提升預測精度。關鍵數(shù)據(jù)對比包括：  通過該模型量化了工藝參數(shù)的影響機制：提高打印溫度會增大溫度梯度，而優(yōu)化材料導熱性可有效抑制梯度；層厚變化雖對溫度梯度影響微弱，但會顯著降低打印張力與壓力。該模型已應用于單層結構工藝優(yōu)化，例如通過調節(jié)噴嘴溫度場分布，成功減少殘余應力生成。研究團隊指出，該方法可擴展至多層復雜結構，未來將結合機器學習解決計算效率問題。 研究首次通過嵌入式熱電偶實現(xiàn)了預浸絲微觀區(qū)域全生命周期溫度場原位表征，揭示了噴嘴-絲材接觸區(qū)為主熱影響區(qū)；建立的擠出-打印多尺度耦合模型將變形預測誤差控制在5%以內(nèi)；量化了材料導熱性、打印溫度等參數(shù)對溫度梯度及殘余應力的影響規(guī)律，為高精度3D打印連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料提供了理論支撐與低成本優(yōu)化路徑。  圖1. 3D打印過程數(shù)據(jù)測量與模擬方法流程圖  圖2. 溫敏預浸絲制備過程：(a)制備示意圖，(b)樹脂浸漬過程，(c)設備主要部件與溫敏預浸絲截面  圖3. (a)原位打印溫度測量示意圖，(b)原位打印力場監(jiān)測平臺示意圖  圖4. (a)溫敏預浸絲截面，(b)溫度測點分布，(c)打印過程溫度數(shù)據(jù)  圖5. (a)噴嘴內(nèi)纖維取向表征方法，(b)表征與三維重建結果  圖6. 擠出過程有限元模型：(a)整體模型，(b)噴嘴接觸預浸絲局部剖面，(c)預浸絲主熱影響區(qū)，(d)有限元模型空間位置與實驗測點對應關系  圖7. (a)擠出過程靜態(tài)模擬，(b)打印過程動態(tài)模擬，(c)不同等溫截面高斯曲面擬合 圖8. 力場測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)：(a)打印張力，(b)打印壓力 圖9. (a)打印結束時的內(nèi)部殘余應力，(b)脫離基板后的應力釋放結果，(c)脫離基板后的Z向位移 原始文獻： Ouyang S, Li D, Zhu W, et al. Process modeling and deformation prediction of 3D printed continuous fiber-reinforced composites based on in-situ micro-scale measuring[J]. Composites Science and Technology, 2025, 267: 111209. 原文鏈接： |
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