《Composite Structures》：Printing path optimization of continuous fiber additive manufacturing based on manufacturing-constrained stress alignment field
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連續(xù)纖維增材制造（CF-AM）通過優(yōu)化纖維路徑與應(yīng)力分布對(duì)齊提升機(jī)械性能，但現(xiàn)有方法難以兼顧性能與制造約束。本文提出制造約束應(yīng)力對(duì)齊場(chǎng)（MCSAF）框架，實(shí)驗(yàn)確定最小彎曲半徑和側(cè)向步距等制造約束閾值，構(gòu)建融合制造約束與應(yīng)力對(duì)齊的能量函數(shù)，開發(fā)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)路徑規(guī)劃算法并優(yōu)化平滑度，實(shí)驗(yàn)表明其力學(xué)性能比未增強(qiáng)部件高153.99%，比傳統(tǒng)之字形路徑高100.05%，同時(shí)提升打印性能。
Fubao Xie|Xiaoyang Wang|Jiancheng Hao|Siyu Chen|Chengyang Zhang|Xishuang Jing|Zhaoyu Li
北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，中國(guó)北京
摘要
連續(xù)纖維增材制造（CF-AM）通過使纖維路徑與應(yīng)力分布對(duì)齊，為生產(chǎn)高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)提供了巨大潛力。然而，現(xiàn)有的CF-AM制造工藝往往無法同時(shí)滿足機(jī)械性能要求和可制造性約束。本文提出了一種新的制造約束應(yīng)力對(duì)齊場(chǎng)（MCSAF）框架，用于優(yōu)化CF-AM的打印路徑。首先，通過實(shí)驗(yàn)確定了可制造性約束，包括最小彎曲半徑（或等效的最大轉(zhuǎn)向角度）和最小側(cè)步長(zhǎng)。然后，將這些約束整合到一個(gè)能量函數(shù)中，該函數(shù)考慮了應(yīng)力矢量場(chǎng)的平滑性和對(duì)齊性以及可制造性。開發(fā)了一種基于場(chǎng)的路徑規(guī)劃方法，以生成連續(xù)、平滑且可制造的打印路徑，并通過最短路徑連接和曲率平滑進(jìn)一步優(yōu)化這些路徑。在復(fù)雜模型上的實(shí)驗(yàn)評(píng)估表明，所提出的方法顯著提高了機(jī)械性能，其失效載荷比未增強(qiáng)部件高出153.99%，比使用傳統(tǒng)之字形路徑的部件高出100.05%，同時(shí)保證了高打印質(zhì)量和減少了打印時(shí)間。
引言
連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物（CFRPs）在航空航天結(jié)構(gòu)中變得越來越重要，如機(jī)身蒙皮、機(jī)翼、加強(qiáng)件和承重框架，因?yàn)樗鼈兙哂懈弑葟?qiáng)度和剛度，能夠大幅減輕重量并提高性能[1]，[2]。傳統(tǒng)的復(fù)合材料制造工藝，如自動(dòng)纖維放置和絲材纏繞，需要昂貴的工具和大型高壓釜，這限制了設(shè)計(jì)靈活性并增加了成本[3]，[4]。在這種情況下，增材制造（AM）作為一種有前景的替代方案出現(xiàn)，允許在沒有重型工具的情況下制造復(fù)雜的輕質(zhì)復(fù)合材料部件。
連續(xù)纖維增材制造（CF-AM）結(jié)合了AM的幾何自由度和連續(xù)纖維的機(jī)械優(yōu)勢(shì)，使其適用于高性能和功能性結(jié)構(gòu)[5]。在航空航天應(yīng)用中，能夠使纖維與載荷路徑對(duì)齊對(duì)于在保持剛度和抗疲勞性的同時(shí)最小化質(zhì)量尤為重要。早期的CF-AM研究探討了不同的制造工藝，如噴口內(nèi)浸漬[6]和噴口外共擠出[7]，后續(xù)研究集中在這些工藝的改進(jìn)上，包括纖維-基體粘合、沉積控制和界面壓實(shí)[8]，[9]。然而，這些努力主要集中在硬件和工藝優(yōu)化上，沒有充分解決在真實(shí)載荷條件下與應(yīng)力場(chǎng)對(duì)齊的纖維路徑設(shè)計(jì)問題。
在CF-AM領(lǐng)域，路徑規(guī)劃在連接設(shè)計(jì)意圖和可制造實(shí)現(xiàn)方面起著關(guān)鍵作用。早期的路徑規(guī)劃研究主要集中在基于幾何的路徑上，如等高線平行和之字形策略，旨在確保打印連續(xù)性。這些方法在商業(yè)切片軟件中得到廣泛應(yīng)用，生成了計(jì)算成本低的穩(wěn)定路徑，并已用于各種結(jié)構(gòu)演示[10]，[11]。然而，這些策略忽略了結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和制造約束，導(dǎo)致諸如纖維屈曲、重疊或路徑丟失等缺陷，尤其是在狹窄或凹形區(qū)域[12]。關(guān)于可制造性方面，Sugiyama等人[13]將幾何輪廓與局部應(yīng)力信息結(jié)合以提高沉積穩(wěn)定性，而Yamamoto等人[14]提出了一種單行程規(guī)劃算法，減少了工具提升并提高了連續(xù)性。Liu等人[15]考慮了在連續(xù)纖維增材制造中整合設(shè)計(jì)和可制造性，以制造變剛度纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板。盡管這些工作提高了CF-AM的可制造性，但它們主要依賴于幾何啟發(fā)式方法，沒有明確考慮潛在的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致在承重應(yīng)用中的機(jī)械性能不佳。
為了提高機(jī)械性能，后續(xù)研究轉(zhuǎn)向了以應(yīng)力為導(dǎo)向的路徑生成，其中纖維方向與有限元分析得出的主應(yīng)力方向?qū)R。Wu等人[16]引入了遵循復(fù)雜幾何形狀上應(yīng)力分布的曲線層路徑，Chacón等人[17]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了連續(xù)纖維復(fù)合材料中應(yīng)力對(duì)齊沉積的機(jī)械優(yōu)勢(shì)。Lin等人[18]進(jìn)一步開發(fā)了一種使用標(biāo)量場(chǎng)優(yōu)化的應(yīng)力自適應(yīng)路徑生成方法。Xu等人[19]提出了一種基于曲率約束的路徑規(guī)劃方案，以抑制起皺和纖維屈曲。Li等人[20]提出了一種基于骨架線的連續(xù)路徑規(guī)劃方法，該方法同時(shí)優(yōu)化了可制造性和機(jī)械強(qiáng)度，特別適用于梁狀結(jié)構(gòu)。這些方法表明，應(yīng)力引導(dǎo)的路徑設(shè)計(jì)可以顯著提高剛度；然而，它們通常存在不連續(xù)性、局部方向不確定性以及缺乏可制造性控制，這限制了它們?cè)趶?fù)雜部件中的魯棒性。
最近的研究轉(zhuǎn)向了基于場(chǎng)和優(yōu)化的框架，將應(yīng)力對(duì)齊與可制造性考慮相結(jié)合。Guo等人[21]提出了一種結(jié)合應(yīng)力和工藝約束的路徑優(yōu)化方案，而Domínguez等人[22]在連續(xù)纖維復(fù)合材料的拓?fù)鋬?yōu)化框架中嵌入了曲率和間距限制。Liu等人[23]引入了一種結(jié)合纖維方向、層拓?fù)浜蜋C(jī)械目標(biāo)的神經(jīng)協(xié)同優(yōu)化框架，這是一種智能的多目標(biāo)路徑規(guī)劃過程。此外，仍存在一些挑戰(zhàn)。許多策略強(qiáng)調(diào)應(yīng)力對(duì)齊或可制造性，很少能同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩者。此外，最近興起的基于場(chǎng)的算法仍然面臨方向不確定性或在可制造性約束下循環(huán)閉合等限制[24]。
為了解決這些問題，本研究提出了一種基于制造約束應(yīng)力對(duì)齊場(chǎng)（MCSAF）的打印路徑規(guī)劃框架來優(yōu)化CF-AM工藝。首先，進(jìn)行了關(guān)于可制造性約束的實(shí)驗(yàn)分析，并確定了兩個(gè)主要參數(shù)的閾值（即最小彎曲半徑（或最大轉(zhuǎn)向角度）和最小側(cè)步長(zhǎng)）（第2節(jié)）。接下來，從Abaqus的應(yīng)力場(chǎng)開始，可以通過考慮可制造性約束和纖維方向與應(yīng)力場(chǎng)的對(duì)齊來構(gòu)建MCSAF（第3節(jié)）。然后，提出了一種基于場(chǎng)的路徑規(guī)劃方法，該方法包括最短路徑連接和平滑處理（第4節(jié)）。最后，在幾個(gè)復(fù)雜模型上的實(shí)驗(yàn)評(píng)估表明，與其他方法相比，MCSAF在機(jī)械可靠性、可打印性和效率方面表現(xiàn)出優(yōu)越性（第5節(jié)）。在本工作中，初始有限元分析中使用了等效的各向同性線性彈性材料模型來估計(jì)主應(yīng)力方向。第5.4節(jié)進(jìn)一步討論了這種近似對(duì)固有各向異性CF-AM部件的影響。
章節(jié)片段
可制造性約束與分析
連續(xù)纖維增材制造本質(zhì)上受到材料依賴的可制造性限制的約束，但在基于應(yīng)力的路徑規(guī)劃中這些約束經(jīng)常被忽略，導(dǎo)致沉積缺陷和結(jié)構(gòu)性能下降。在本節(jié)中，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以探索連續(xù)纖維沉積的典型缺陷及其相應(yīng)的約束。
制造約束應(yīng)力對(duì)齊場(chǎng)（MCSAF）
本節(jié)重點(diǎn)介紹制造約束應(yīng)力對(duì)齊場(chǎng)（MCSAF）的構(gòu)建。MCSAF是一個(gè)優(yōu)化的矢量場(chǎng)，考慮了CF-AM部件的可制造性和機(jī)械性能。然后，將按照MCSAF生成打印路徑，使切線方向與MCSAF的場(chǎng)分布對(duì)齊（詳細(xì)信息見第4節(jié)）。MCSAF是生成可制造、連續(xù)路徑的基礎(chǔ)，這些路徑保持全局
打印路徑規(guī)劃
基于之前的基于場(chǎng)的路徑生成方法[24]，[26]，本研究基于構(gòu)建的MCSAF生成可打印的、連續(xù)的且應(yīng)力對(duì)齊的打印路徑。然后，進(jìn)一步處理打印路徑以減少工具提升的頻率并消除尖銳角。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
所提出的算法使用Eigen在C++中實(shí)現(xiàn)，并在配備Intel i7 CPU和32 GB RAM的工作站上執(zhí)行。所有測(cè)試模型都是在如圖14所示的自制雙噴嘴連續(xù)纖維熔融絲材制造（CFFF）平臺(tái)上制造的。該系統(tǒng)集成了用于熱塑性基體和連續(xù)碳纖維的獨(dú)立擠出機(jī)，安裝在XYZ笛卡爾舞臺(tái)上，并配備了原位纖維切割機(jī)制。固件控制（Klipper）確保
結(jié)論
本研究提出了一個(gè)綜合框架，通過將應(yīng)力對(duì)齊與可制造性約束相結(jié)合來優(yōu)化連續(xù)纖維打印路徑。在研究可制造性約束的過程中，可以通過優(yōu)化一個(gè)能量函數(shù)來構(gòu)建制造約束應(yīng)力對(duì)齊場(chǎng)，該函數(shù)考慮了應(yīng)力矢量分布的平滑性和保真度以及可制造性懲罰。然后，從MCSAF中得到的等輪廓被細(xì)化以
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
Fubao Xie：形式分析、數(shù)據(jù)管理、概念化。Xiaoyang Wang：資金獲取、形式分析、數(shù)據(jù)管理、概念化。Jiancheng Hao：數(shù)據(jù)管理、概念化。Siyu Chen：方法論、研究。Chengyang Zhang：數(shù)據(jù)管理、概念化。Xishuang Jing：研究、形式分析。Zhaoyu Li：驗(yàn)證、監(jiān)督。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會(huì)影響本文所述工作的競(jìng)爭(zhēng)性財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系。
致謝
本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：52505539）和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（編號(hào)：501XYGG2025107017）的支持。
