[논문 리뷰] Field-Based Toolpath Generation for 3D Printing Continuous Fibre Reinforced Thermoplastic Composites

Xiangjia Chen, Guoxin Fang외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 02.

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 연속섬유강화 thermoplastic 복합재료의 3D 프린팅을 위한 필드 기반 도구경로 생성 방법을 제안하며, 섬유 경로를 주인장 응력 방향에 따라 정렬하고 응력 크기에 비례하여 도구경로 밀도를 적응적으로 제어함으로써 기계적 강도를 향상시킨다. 유한요소해석(FEA)에서 유도된 벡터 및 스칼라 필드 처리를 통해 기존의 하중에 무관한 도구경로 대비 최대 71.4% 향상된 기계적 강도를 달성하며, 섬유 사용을 최소화하거나 감소시킨다.

ABSTRACT

We present a field-based method of toolpath generation for 3D printing continuous fibre reinforced thermoplastic composites. Our method employs the strong anisotropic material property of continuous fibres by generating toolpaths along the directions of tensile stresses in the critical regions. Moreover, the density of toolpath distribution is controlled in an adaptive way proportionally to the values of stresses. Specifically, a vector field is generated from the stress tensors under given loads and processed to have better compatibility between neighboring vectors. An optimal scalar field is computed later by making its gradients approximate the vector field. After that, isocurves of the scalar field are extracted to generate the toolpaths for continuous fibre reinforcement, which are also integrated with the boundary conformal toolpaths in user selected regions. The performance of our method has been verified on a variety of models in different loading conditions. Experimental tests are conducted on specimens by 3D printing continuous carbon fibres (CCF) in a polylactic acid (PLA) matrix. Compared to reinforcement by load-independent toolpaths, the specimens fabricated by our method show up to 71.4% improvement on the mechanical strength in physical tests when using the same (or even slightly smaller) amount of continuous fibres.

연구 동기 및 목표

• 하중에 무관한 도구경로를 사용할 경우 3D 프린팅된 연속섬유강화 thermoplastic 복합재료(CFRTPCs)의 부적절한 기계적 성능을 해결하기 위해.
• 주인장 인장 응력 방향에 따라 도구경로를 정렬함으로써 연속섬유의 강한 이방성 특성을 극대화하기 위해.
• 지역 응력 값에 비례하는 적응형 도구경로 밀도 제어 메커니즘을 개발하여 자원 효율성을 높이기 위해.
• 사용자 정의 영역에 경계에 따라 변형된 도구경로를 통합함으로써 구조적 성능을 향상시키고, 45° 층 회전을 통한 표준 지그재그 PLA 경로로 강한 층 간 결합을 유지하기 위해.
• 다양한 하중 조건 하에서 여러 모델에 대해 실험적으로 방법을 검증하여 뛰어난 기계적 강도를 입증하기 위해.

제안 방법

• 주어진 하중 조건 하에서 유한요소해석(FEA)을 통해 주인장 응력 필드를 생성하여 주요 인장 응력 방향을 식별한다.
• 응력 텐서에서 유도된 벡터 필드를 구성하고, 이웃하는 벡터 간의 매끄러운 전이와 호환성을 확보하기 위해 처리한다.
• 그라디언트 필드가 처리된 벡터 필드를 근사화할 수 있도록 최적의 스칼라 필드를 계산하여 인장 응력 방향에 정렬되도록 보장한다.
• 스칼라 필드의 동치선을 추출하여 연속섬유 도구경로를 정의하고, 고응력 영역에서 밀도를 적응적으로 증가시킨다.
• 사용자가 선택한 영역에 경계에 따라 변형된 도구경로를 통합하여 가장자리 및 인터페이스에서의 구조적 안정성을 확보한다.
• CCF 경로는 응력에 따라 정렬되고 적응적인 반면, PLA 매트릭스는 표준 지그재그 도구경로를 사용하고 45° 층 회전을 통해 강한 층 간 결합을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주인장 인장 응력 방향에 따라 섬유를 정렬하는 필드 기반 도구경로 생성 방법이 3D 프린팅된 연속섬유강화 thermoplastic 복합재료의 기계적 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 지역 응력 크기에 비례하는 적응형 도구경로 밀도는 기계적 강도와 자원 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 강도 및 스텐실 측면에서 응력에 따라 정렬된 CCF 도구경로가 하중에 무관한 지그재그 패턴에 비해 얼마나 뛰어난가?
• RQ4 CCF 경로가 하중 지지 영역을 최적화할 때, 층 간 결합 강도가 어떻게 유지되는가?
• RQ5 대변형 상태(>20%의 초기 길이 변화)에서 응력 방향의 변화는 어떤 한계를 초래하며, 섬유의 비정렬 상태는 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 하중에 무관한 CCF 도구경로로 제작된 시편 대비 3D 프린팅된 CFRTPC 시편의 파손 강도를 최대 71.4% 향상시켰다.
• 동일하거나 약간 적은 CCF 필라멘트 길이(34.658 m 대비 35.895 m)를 사용하여 강성은 50.2% 향상되었다.
• 하중에 무관한 도구경로로 제작된 시편에서는 주로 PLA 층 간 탈착으로 인한 파손이 발생하여 층 간 결합이 열악함을 나타냈다.
• 반면, 응력에 따라 정렬된 도구경로를 사용한 시편은 주로 섬유 파손으로 인한 파손을 보였으며, 이는 이방성 섬유 강도를 효과적으로 활용한 것을 확인했다.
• 대변형 상태(초기 길이의 20% 이상)에서 주인장 응력 방향이 크게 변형되었으며(50% 이상의 요소에서 10° 이상 회전), 이로 인해 정렬도 저하되고 성능이 약화되었다.
• CCF 경로가 하중 지지 영역을 최적화하더라도, 표준 지그재그 도구경로를 사용하여 PLA 매트릭스를 인쇄함으로써 강한 층 간 결합을 유지한다.