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非平面增材制造（AM）在增強(qiáng)層間結(jié)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(fù)合材料的設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)了一種三軸打印機(jī)，該打印機(jī)采用可調(diào)節(jié)的纖維打印頭，實(shí)現(xiàn)了預(yù)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(duì)打印樣品表面粗糙度的影響，并設(shè)計(jì)打印了連續(xù)碳纖維（CF）、玻璃纖維（GF）及混合纖維復(fù)合材料的NPS樣品。此外，研究評(píng)估了打印件的彎曲失效形態(tài)，并通過(guò)制造雙正弦曲面結(jié)構(gòu)和球面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了NPS方法的有效性。結(jié)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(yīng)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(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTC）因其重量輕、高強(qiáng)度、耐腐蝕、各向異性及可定制的材料特性，在航空航天、汽車(chē)和建筑等對(duì)輕量化有較高要求的制造領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。增材制造（AM），又稱(chēng)為三維（3D）打印，是一種通過(guò)逐層堆疊離散材料來(lái)制造零件的技術(shù)，理論上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需模具的快速制造復(fù)雜幾何形狀的單個(gè)零件。因此，AM技術(shù)為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)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(nèi)部纖維取向分布的設(shè)計(jì)靈活性，從而最大化連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的減重和優(yōu)越設(shè)計(jì)能力?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)及巨大潛力，連續(xù)纖維復(fù)合材料的AM技術(shù)近年來(lái)備受關(guān)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(guò)噴嘴擠出細(xì)絲來(lái)成型部件。該技術(shù)尤其在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制造中應(yīng)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(qiáng)復(fù)合材料AM的重要工藝。為了增強(qiáng)打印復(fù)合材料中連續(xù)纖維的浸漬效果，預(yù)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(shù)與連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)合顯著提升了打印件的整體力學(xué)性能，并在制備連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)具有高材料利用率、設(shè)計(jì)靈活性高及可制造定制復(fù)雜形狀等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。為提升連續(xù)纖維復(fù)合材料的打印質(zhì)量，研究人員對(duì)纖維錯(cuò)位和斷裂的形成機(jī)制及優(yōu)化的纖維沉積方法進(jìn)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(shù)普遍存在階梯效應(yīng)、彎曲特征結(jié)合差以及厚度方向機(jī)械性能較弱等問(wèn)題。

非平面AM是一種通過(guò)堆疊由非平面切片組成的材料層來(lái)成型零件的工藝，通?；诹慵膸缀涡螤罨蛐阅苄枨笤O(shè)計(jì)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(yīng)用于多軸3D打印中，并開(kāi)發(fā)了一些先進(jìn)的曲面切片工具來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)制造目標(biāo)，如支撐結(jié)構(gòu)減少、強(qiáng)度增強(qiáng)、表面質(zhì)量提升及切片效率提高。Chen等人提出了一種基于應(yīng)力場(chǎng)的刀具路徑生成方法，該方法自適應(yīng)地控制刀具路徑分布密度，與應(yīng)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(yīng)用于連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的制造中，纖維路徑在關(guān)鍵區(qū)域沿最大應(yīng)力方向分布，從而在復(fù)雜承載打印件中實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的力學(xué)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(lǐng)域取得了重大突破。已有研究表明，非平面AM可以通過(guò)三軸打印機(jī)完成，并且已開(kāi)發(fā)出多種NPS及路徑規(guī)劃方法。Ahlers等人提出了一種結(jié)合非平面和平面層的切片方法，使用Slic3r工具生成無(wú)碰撞刀具路徑，提升了物體表面平滑度和強(qiáng)度。Pelzer等人開(kāi)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(jié)果顯示該方法制造的零件機(jī)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(jī)用于非平面AM的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，切片與路徑規(guī)劃僅涉及三軸協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了設(shè)備適應(yīng)性。NPS可以顯著提升三軸打印機(jī)的制造能力，并拓展其應(yīng)用市場(chǎng)。然而，目前針對(duì)三軸打印機(jī)進(jìn)行連續(xù)纖維非平面AM的研究較少。另一方面，三軸打印機(jī)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(jī)的連續(xù)纖維復(fù)合材料非平面AM的制造能力及適用范圍。

通過(guò)改進(jìn)纖維打印頭的設(shè)計(jì)，本文實(shí)現(xiàn)了在無(wú)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(fù)合材料的曲面樣品，并對(duì)其表面形貌和彎曲性能進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)并制造了雙正弦曲面結(jié)構(gòu)和曲面薄壁網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，驗(yàn)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(qiáng)復(fù)合材料的非平面AM提供了寶貴的參考和指導(dǎo)。

2.1. 雙打印頭三軸增材制造平臺(tái)

本研究所使用的打印機(jī)是一臺(tái)定制的雙打印頭三軸打印機(jī)，該打印機(jī)在我們之前的研究中基于自制打印機(jī)進(jìn)行了改裝，其中兩個(gè)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(shù)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(dòng)的滑臺(tái)上。纖維噴嘴的高度位置可以通過(guò)滑臺(tái)上的調(diào)節(jié)螺釘和止動(dòng)螺釘進(jìn)行調(diào)節(jié)和固定。在平面打印模式下（圖1(b1)），纖維噴嘴出口與樹(shù)脂噴嘴出口水平對(duì)齊，主要用于打印樹(shù)脂支撐部件。完成支撐打印后，需將纖維打印頭下調(diào)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(jìn)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(gè)預(yù)浸連續(xù)纖維絲材切割機(jī)構(gòu)，允許在打印過(guò)程中手動(dòng)切換纖維類(lèi)型，以制造混合纖維復(fù)合材料部件。

圖1. 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)復(fù)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)干涉，最大沉積傾角為20°?；诖?，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(shè)方式打印，其實(shí)物圖如圖2(c)所示。分別觀察并測(cè)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(jié)果。顯然，隨著傾斜角度的增加，表面粗糙度增加，當(dāng)達(dá)到20°時(shí)，表面質(zhì)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(tái)階效應(yīng)，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(yīng)小于tan 20°才能進(jìn)行制造。斜率越大，纖維打印質(zhì)量越差。這種現(xiàn)象可歸因于噴嘴對(duì)絲材的壓力不足、絲材底部的熱傳導(dǎo)不充分（熱塑性基體熔化以促進(jìn)界面結(jié)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(yīng)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(xiàng)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(shí)物圖；(d)為不同傾斜平面的表面粗糙度結(jié)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(shè)計(jì)的可視化編程語(yǔ)言，也可用于增材制造（AM）的路徑規(guī)劃?；谏鲜龃蛴≡O(shè)備情況，在Rhino/Grasshopper平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了一種切片程序，其切片過(guò)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(gòu)建任意曲面來(lái)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(gè)段，識(shí)別各斷點(diǎn)的坐標(biāo)，并基于段長(zhǎng)計(jì)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(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)圖；(e) 為力-位移曲線；(f) 為曲面樣件的彎曲力結(jié)果。

支撐結(jié)構(gòu)的三維模型通過(guò)將打印模型的底面拉伸至打印平面獲得，然后通過(guò)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(guò)程是從下至上連接每個(gè)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(shè)置，也可對(duì)特定層進(jìn)行單獨(dú)配置。打印順序首先在平面打印模式下打印支撐結(jié)構(gòu)，然后調(diào)整噴嘴至最低點(diǎn)，開(kāi)始在支撐表面進(jìn)行連續(xù)纖維打印。

所使用的絲材為預(yù)浸尼龍樹(shù)脂的連續(xù)碳纖維（CF）和玻璃纖維（GF）（Markforged，美國(guó)）。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(shù)脂（易生，PVA，中國(guó)）作為支撐材料。由于PVA樹(shù)脂與連續(xù)纖維浸漬的尼龍樹(shù)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(guó)）。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(shù)脂的熔點(diǎn)決定，打印層厚度設(shè)定為0.125 mm。純樹(shù)脂絲材的打印路徑寬度由打印噴嘴的直徑?jīng)Q定，設(shè)定為0.4 mm。預(yù)浸連續(xù)纖維絲材的打印過(guò)程本質(zhì)上是對(duì)絲材進(jìn)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(guān)系如公式所示：

根據(jù)計(jì)算，CF絲材的路徑寬度設(shè)定為0.815 mm，而GF絲材的路徑寬度設(shè)定為0.680 mm。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)觀察與力學(xué)測(cè)試

使用激光掃描顯微鏡（LSM，VK-X 200 K，日本基恩士）對(duì)所有打印的NPS樣品的表面形貌進(jìn)行觀察，并測(cè)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(guó)）拍攝。彎曲測(cè)試由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（WDW-50E，時(shí)代，中國(guó)）進(jìn)行，跨距為50 mm，加載速度為2 mm/min。每種類(lèi)型至少測(cè)試五個(gè)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(yàn)證NPS方法在提高零件性能和表面質(zhì)量方面的有效性，設(shè)計(jì)了一種用于彎曲測(cè)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(shí)際打印的樣品如圖4(b)所示，圖4(b1)和圖4(b2)分別為預(yù)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(duì)比，CF和GF增強(qiáng)復(fù)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?yàn)?°。六種類(lèi)型樣品的力-位移曲線和彎曲力結(jié)果分別顯示在圖4(e)和(f)中。

結(jié)果表明，對(duì)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(jié)構(gòu)彎曲性能方面的顯著優(yōu)勢(shì)。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(yīng)，超過(guò)了按復(fù)合材料混合規(guī)則計(jì)算的加權(quán)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(dāng)，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。基于連續(xù)纖維相較于短纖維的優(yōu)異力學(xué)性能，本實(shí)驗(yàn)中觀察到的樣品最大彎曲力是由短CF增強(qiáng)PLA復(fù)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(jié)合面積最小，導(dǎo)致分層為失效模式（圖5(a2)和5(b2)），使樣品過(guò)早失效，無(wú)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(guò)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(dá)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(yīng)變，導(dǎo)致層間剪切為主要失效機(jī)制，直到下端的GF在拉伸應(yīng)力作用下最終斷裂，導(dǎo)致完全失效。

圖5. 采用單纖維打印的失效試樣的實(shí)物圖及其側(cè)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(fù)合材料制造的兩個(gè)NPS試樣的彎曲失效形貌。NPS(CF-GF) 試樣的側(cè)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(yuǎn)離加載位置的CF層發(fā)生斷裂失效（圖6(a2)）。當(dāng)試樣接近水平位置加載時(shí)，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(dá)到NPS-CF試樣失效位移位置時(shí)發(fā)生失效（圖4(e)）。相比之下，NPS(GF-CF) 試樣的側(cè)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(shí)，具有較高失效應(yīng)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(dǎo)致試樣完全失效（圖6(b2)）。這一過(guò)程與圖4(e)中NPS(GF-CF)試樣的力-位移曲線一致。當(dāng)NPS(GF-CF)試樣達(dá)到接近其最大彎曲力的首次峰值時(shí)，遠(yuǎn)離加載位置的GF層未斷裂，整個(gè)試樣繼續(xù)承載，直到GF層失效。由此可見(jiàn)，通過(guò)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(shí)物圖、側(cè)面形貌及彎曲測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖：(a1, a2 和 a3) NPS(CF-GF) 試樣，(b1, b2 和 b3) NPS(GF-CF) 試樣。

在進(jìn)行彎曲測(cè)試之前，分別對(duì)使用單一CF和GF打印的NPS和PS試樣的表面形貌進(jìn)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(diǎn)附近），這兩個(gè)區(qū)域被選作表面形貌觀察和表面粗糙度測(cè)量的部位。NPS和PS試樣的表面粗糙度結(jié)果如圖7(b)所示。顯然，無(wú)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(guò)分析四種類(lèi)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(yán)重影響其力學(xué)性能。相反，纖維沿表面輪廓鋪設(shè)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(jié)果，以及四種樣品的實(shí)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(jìn)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(shì)。特別是，通過(guò)適當(dāng)?shù)幕旌侠w維配置，NPS方法有望進(jìn)一步提升曲面試樣的彎曲性能。值得注意的是，本實(shí)驗(yàn)所選取的曲面試樣是參考現(xiàn)有文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的，具有一定的特殊性。因此，強(qiáng)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(jié)果表明，基于三軸打印機(jī)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(duì)簡(jiǎn)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(fù)雜的表面輪廓和纖維排列設(shè)置。此外，為減輕重量或滿足某些特定要求，采用多孔結(jié)構(gòu)是曲面復(fù)合材料部件中的常見(jiàn)做法。因此，為驗(yàn)證該方法在復(fù)雜曲面和多孔結(jié)構(gòu)成形中的可行性，設(shè)計(jì)了兩種典型部件并進(jìn)行了非平面增材制造：雙正弦曲面結(jié)構(gòu)和曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。雙正弦曲面部件的表面由兩個(gè)正弦曲線形成，切片層結(jié)合了不同類(lèi)型和方向的連續(xù)纖維。曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(shí)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(fù)合材料制成的雙正弦曲面部件的實(shí)物圖和每層的打印流程，強(qiáng)調(diào)了在每層打印中對(duì)纖維類(lèi)型、方向和填充密度的可調(diào)性。

圖8. (a) 三維尺寸圖，(b) 實(shí)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(jié)構(gòu)的打印過(guò)程。整個(gè)部件是一個(gè)半徑為800 mm的曲面面板，其中央?yún)^(qū)域具有通孔。每個(gè)曲面層被分為密集填充部分和網(wǎng)格部分。圖9(a)詳細(xì)描述了打印過(guò)程，而圖9(b)則顯示了打印的曲面網(wǎng)格的實(shí)物圖?？椎谋诤窈统叽缈梢栽谝?guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。此外，通過(guò)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(jié)構(gòu)。

圖9. (a) 曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的打印流程，(b) 曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的實(shí)物圖。

上述結(jié)果展示了該方法在曲面面板零件中的制造能力和優(yōu)勢(shì)，預(yù)期可應(yīng)用于設(shè)備外殼的制造，如無(wú)人機(jī)機(jī)身等。本研究中設(shè)計(jì)和打印的所有部件均為等厚度，切片層通過(guò)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(lái)的研究將集中于改進(jìn)切片層的劃分方法，以適應(yīng)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(qiáng)復(fù)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(duì)曲面打印件彎曲性能和表面形貌的影響。設(shè)計(jì)并非平面增材制造了兩種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步驗(yàn)證了所提出方法的適用性?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：

(1)沉積傾斜角的影響：打印樣品的沉積傾斜角增加會(huì)導(dǎo)致表面精度降低。當(dāng)傾斜角為20°時(shí)，由于纖維噴嘴對(duì)纖維的熱壓不足，會(huì)導(dǎo)致纖維路徑出現(xiàn)空隙，大幅增加表面粗糙度，同時(shí)也會(huì)降低路徑間的粘結(jié)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(jié)構(gòu)和提高提升行程可以解決打印干擾問(wèn)題，但保持沉積傾斜角低于15°對(duì)于確保打印質(zhì)量至關(guān)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(yīng)，NPS(GF-CF)樣品的最大彎曲力比NPS-CF樣品高出34%。

(3)復(fù)雜結(jié)構(gòu)打印：成功設(shè)計(jì)并制造了雙正弦曲面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了各種類(lèi)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(shè)計(jì)并制造了球形網(wǎng)格連續(xù)纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)。這些打印案例表明NPS方法在復(fù)雜曲面和曲面多孔結(jié)構(gòu)方面具有優(yōu)于傳統(tǒng)PS方法的成形能力，結(jié)果驗(yàn)證了該方法在連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)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.