[论文解读] Field-Based Toolpath Generation for 3D Printing Continuous Fibre Reinforced Thermoplastic Composites

Xiangjia Chen, Guoxin Fang+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2021

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies被引用 5

一句话总结

本文提出一种基于场的3D打印连续纤维增强热塑性复合材料的工具路径生成方法，通过沿主拉伸应力方向对齐纤维路径，并根据应力大小自适应控制路径密度，从而提升机械强度。该方法利用有限元分析（FEA）生成的矢量场和标量场处理技术，与负载无关的工具路径相比，机械强度最高提升71.4%，同时实现最少或减少的纤维使用量。

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.

研究动机与目标

• 解决在使用负载无关工具路径时，3D打印连续纤维增强热塑性复合材料（CFRTPCs）机械性能欠佳的问题。
• 利用连续纤维的强各向异性特性，将工具路径与关键区域的主拉伸应力方向对齐。
• 开发一种与局部应力值成比例的自适应工具路径密度控制机制，以实现材料高效利用。
• 通过在用户定义区域集成边界符合型工具路径，同时利用45°层旋转的锯齿形PLA路径保持层间强结合，从而提升结构性能。
• 在多种模型和不同加载条件下进行实验验证，证明该方法在机械强度方面表现更优。

提出的方法

• 在给定加载条件下，通过有限元分析（FEA）生成主应力场，以识别关键的拉伸应力方向。
• 从应力张量构建矢量场，并进行处理以确保相邻矢量之间的平滑过渡和兼容性。
• 计算最优标量场，使其梯度场近似于处理后的矢量场，从而确保与拉伸应力方向对齐。
• 提取标量场的等值曲线以定义连续纤维工具路径，并在高应力区域自适应加密路径。
• 在用户选择的区域集成边界符合型工具路径，以确保边缘和界面处的结构完整性。
• PLA基体采用标准锯齿形路径打印，并配合45°层旋转，以保持强层间结合；而CCF路径则沿应力方向优化并自适应调整。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于场的工具路径生成方法是否可通过将纤维与主拉伸应力方向对齐，提升3D打印连续纤维增强热塑性复合材料的机械性能？
• RQ2 与局部应力大小成比例的自适应工具路径密度，如何影响机械强度和材料效率？
• RQ3 在抗拉力和刚度方面，应力对齐的CCF工具路径相较于负载无关的锯齿形图案，优势程度如何？
• RQ4 当CCF路径针对承载区域进行优化时，该方法如何保持层间结合强度？
• RQ5 在大变形条件下（如超过初始长度的20%），应力导向路径存在哪些局限性？纤维错位对性能有何影响？

主要发现

• 与使用负载无关CCF工具路径制造的试样相比，所提方法使3D打印CFRTPC试样的断裂力最高提升71.4%。
• 使用相同或略少的CCF丝材长度（34.658 m vs. 35.895 m），试样的刚度提升了50.2%。
• 采用负载无关路径的试样主要通过PLA层间分层失效，表明层间结合较差。
• 相比之下，采用应力对齐路径的试样主要通过纤维断裂失效，证实了各向异性纤维强度的有效利用。
• 在大变形条件下（>初始长度的20%），主应力方向发生显著旋转（超过50%的单元中旋转超过10°），导致对齐度下降，性能减弱。
• 通过在CCF路径优化的同时，对PLA基体采用标准锯齿形路径并配合45°层旋转，该方法有效保持了强层间结合。