基于体素的机械臂连续碳纤维3D打印路径规划

碳纤维长纤3D打印对路径的连续性和复杂构型的无支撑成型均提出了需求。传统三轴熔融沉积3D打印采用平面切片和基于轮廓的路径规划方法,由于成型方向的单一性,悬空结构无法避免支撑的产生;由于采用基于轮廓的路径规划,缺少内部几何信息,无法扩展到曲面空间。针对以上问题,提出了基于机械臂的连续碳纤维3D打印曲面切片和曲面连续路径规划方法。通过三维模型的体素化处理,保证空间信息的完整性;在无支撑无碰撞约束下,分解成系列体素曲面层,保证无支撑成型;采用Fast Marching网格测地线算法,形成曲面空间的连续等距螺旋偏置路径,并对路径进行平滑优化,保证路径的连续性;最后生成用于机械臂3D打印的Gcode路径文件。通过多种三维模型路径规划仿真对比和打印实验,证明了该方法的可行性,实现了曲面分层的无支撑连续路径规划。

连续碳纤维3D打印的选择性增强路径规划方法

为了充分利用碳纤维材料轻质高强及3D打印自由成型的优势,以纤维增强的方式提高热塑性材料的打印性能,研究了连续碳纤维3D打印的性能选择性增强路径规划方法,根据性能增强需求,对三维模型进行层段细分处理,提供基于多种材料特性的不同层段和不同区域工艺参数设置接口;对填充区域和轮廓区域分别采用多种混合路径的连续碳纤维选择性增强算法和轮廓增强算法,并对轮廓区域的纤维打印路径进行优化,保证纤维路径的连续性,达到对三维模型不同部位性能灵活增强的目标。通过三维模型路径规划仿真对比和3D打印实验对比,验证该方法的有效性。

基于主应力轨迹线的连续碳纤维复合材料3D打印路径规划方法

连续碳纤维复合材料3D打印成型零件的力学性能对纤维的铺设方向有需求,传统的路径规划方法基于零件的形状轮廓进行填充,不能满足零件的实际使用性能。针对这一问题,提出基于主应力轨迹线的连续碳纤维复合材料3D打印路径规划方法。基于连续碳纤维复合材料三维模型的有限元分析数据,通过材料力学计算得到相应的主应力轨迹线;通过连续碳纤维复合材料3D打印的打印参数对得到的主应力轨迹线进行调控,保证每一条轨迹线之间的间距契合3D打印要求;通过坐标变换调整有限元分析坐标系以及打印机坐标系;通过以上调控生成用于连续碳纤维复合材料3D打印的G code规划文件。通过路径规划仿真对比和打印拉伸实验,基于主应力轨迹线生成的连续碳纤维复合材料3D打印路径比传统直线碳纤维复合材料3D打印路径性能提高了4.5%,验证了基于主应力轨迹线的连续碳纤维复合材料3D打印路径规划方法的有效性。

连续碳纤维3D打印的高效螺旋偏置填充算法

3D打印路径填充方法直接影响成型质量和效率。螺旋偏置填充算法能够保证碳纤维长纤三维成型的路径连续性,减少回抽跳转。但传统螺旋偏置填充算法存在处理凹多边形轮廓环产生大量自交环和螺旋处理计算量大等问题,影响切片和成型效率。针对此问题,提出凹多边形分解算法,通过将多边形凹点分解处理为多个凸多边形,避免自交环的产生;采用新的螺旋处理算法,通过内层采用下一个轮廓环的起点取代上一个轮廓环的终点的连接形式,减少计算量。结果表明:改进后的螺旋偏置填充算法切片效率提升近39%,打印时间减少近21%。

碳纤维3D打印的全局连续费马螺旋路径规划算法

连续碳纤维复合材料3D打印对于纤维分布的方向性和打印路径的连续性均提出了需求。对于各向同性的三维模型,传统路径规划采用层间变向扫描式或螺旋偏置路径规划算法,对于变向扫描路径规划算法是通过使用若干层单向纤维路径通过不同层扫描方向的改变来拟合整体纤维取向分布,其各层的实质依然是单向性的;螺旋偏置路径规划算法则难以针对不同子区域填充路径实现连续。针对这一问题,提出面向碳纤维3D打印的全局连续费马螺旋路径规划算法。基于偏置填充路径规划算法,保证层内纤维取向合理分布;通过偏置环数据预处理,保证路径规划点信息的正确性;通过偏置环关系的判断与旋入旋出点的计算构建全局连续性路径;通过规划文件的空间优化,减少打印路径点避免喷头的反复起停,生成用于连续碳纤维3D打印的Gcode文件。通过不同模型路径规划算法仿真对比和打印实验,验证了该算法的有效性。

3D打印碳纤维混凝土断裂力学性能试验研究

为研究打印碳纤维混凝土的断裂力学性能,开展劈裂和三点弯试验,分析了打印方式和纤维含量对其力学性能、断裂破坏机理和微观开裂特性的影响规律,从断面材料完整性角度阐释了其各向异性的成因,建立了打印碳纤维混凝土与浇筑混凝土力学性能指标之间的关系表达式。研究结果表明:打印碳纤维混凝土断裂过程与浇筑混凝土的相似,可分为弹性阶段、裂缝稳定扩展阶段和裂缝不稳定扩展阶段;打印方式会引起混凝土不同方向上断面材料完整性削弱程度的不同,相应地引起力学性能不同程度的降低,这是导致打印混凝土各向异性的本质原因;断面材料完整性削弱程度越大,剪切微裂缝数量比例越高,且随着纤维含量增加,纤维桥接作用的增强效果有所降低;由于纤维分布的随机性,力学性能指标衰减系数与剪切裂缝数量占比衰减系数之间的关系呈非线性。

碳纤维复合材料回收与再利用技术进展

随着复合材料在各领域的广泛使用,废弃复合材料的回收与再利用成为了必须面对的问题。大多数结构件所采用的是热固性树脂基复合材料,正是由于其优良的耐腐蚀性,复合材料的回收与再利用存在一定的挑战。文中归纳了碳纤维复合材料的回收技术,并调研了回收碳纤维在国内外的应用现状,发现目前热裂解回收方法在国外已经得到了成熟的应用,回收纤维也已用于规模化生产航空、地面交通等领域的结构零件;但国内碳纤维回收和回收纤维产业化的报道则较少。结合碳纤维复合材料的3D打印技术,如果将回收的碳纤维用作3D打印原材料,既有利于环境保护,又能降低复合材料3D打印制件的成本,具有重要的社会效应和经济价值。

Development of impact resistant 3D printed multi-layer carbon fibre reinforced composites by structural design

In this study,a high impact resistant multi-layered composite consisting of continuous carbon fibre/nylon(CCF)and short carbon fibre/nylon(SCF)layers is developed via 3D printing technology.The effect of CCF/SCF layers configuration on the impact resistance is investigated by low-velocity impact test,and the impact failure mechanism of the 3D printed composites is explored by microscopic observations and finite element(FE)simulation analysis.The results show that the 3D printed multi-layered composite with SCF layers distributed in the middle(HFA)exhibits higher impact resistant performance than the specimens with alternating SCF/CCF layers(HFB)and CCF layers distributed in the middle(HFC).The effect of CCF/SCF layers proportion on the impact performance is also studied by FE simulation,and the results show that the specimen with a CCF/SCF proportion of 7.0 exhibits the highest impact strength.