[发明专利]一种连续纤维增强复合材料3D打印路径规划方法

权利要求书

1.一种连续纤维增强复合材料3D打印路径规划方法，其特征在于：该方法根据目标成形构件的实际尺寸建立三维模型，经分层切片软件处理后获得构件模型的层片和轮廓信息；利用有限元软件分析构件载荷作用下内部应力传递方向和分布特征，以此为依据提取构件相关网格节点位置坐标和应力矢量；结合连续纤维在轴向上具有高强度、高模量的特性和3D打印技术特点对层片轮廓填充路径进行规划，最终获得连续纤维增强复合材料高性能、高效率3D打印成形新路径；

打印路径规划方法的具体步骤如下：

①利用计算机辅助设计(CAD)软件或三维重构软件，建立以数字模型文件为基础的连续纤维增强复合材料构件的三维模型，并将其导出为有限元软件可处理的STEP格式文件和切片软件可处理的STL格式文件备用；

②利用切片软件对步骤①中的STL格式文件进行切割分层处理，获得含有切割平面与STL模型三角面片交点坐标信息的构件单层轮廓(1)，并将层片轮廓信息导出为CLI格式文件备用；

③将步骤①中获得的STEP文件导入到有限元分析软件中，对构件进行网格划分，结合构件实际受力情况和材料属性，设置构件有限元仿真模型的边界条件并进行仿真分析，根据计算结果获得构件在载荷作用下三维模型中应力的传递特征和应力分布情况；

④提取构件网格节点坐标和主应力矢量，根据构件中应力分布情况选定轮廓线上的一个网格节点作为当前基准点P_i(i＝1)并提取当前基准点的坐标，取i＝1时的基准点为初始基准点；

⑤提取当前基准点上的应力矢量，分别计算当前基准点应力矢量与相邻网格节点应力矢量构成的夹角α；当夹角α最小时，则取该相邻网格节点为下一个基准点P_i(i＝i+1)，提取并保存当前基准点的坐标；当不同的网格节点与基准点P_i的夹角α相同且最小时，则做过当前基准点P_i且与基准点P_i应力矢量方向重合的直线，取到直线距离最小的网格节点为当前基准点P_i(i＝i+1)，提取并保存当前基准点的坐标；

⑥重复步骤④、⑤获得应力传递曲线上离散点(2)；采用数据拟合的方式将离散的网格节点拟合为样条曲线，将该样条曲线设置为初始基准填充路径(3)；

⑦在初始基准填充路径(3)的基础上，采用等距偏置算法，根据路径偏置距离δL和路径偏置方向D，对初始基准填充路径(3)进行偏置处理从而密化填充路径，最终剔除轮廓外路径(4)获得单层轮廓的填充路径；

⑧对CLI文件定义的所有层轮廓进行步骤⑥、⑦处理，获得模型的填充路径，提取填充路径线上的坐标信息并根据打印路径跳点最少的原则，对坐标信息重新排序，最终获得模型打印路径；

⑨综合连续纤维增强复合材料热床温度、喷头温度、打印速度、喷头直径工艺参数、纤维与基体材料配比数据以及步骤⑧中获得的打印路径，生成打印设备可以识别的G代码，并将打印路径显示于计算机屏幕上。

2.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料3D打印路径规划方法，其特征在于，所述的数据拟合方式为，根据网格节点坐标通过插值拟合或者回归拟合的方式获得初始基准填充路径(3)。

3.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料3D打印路径规划方法，其特征在于，所述的初始基准填充路径偏置距离δL＝比例因子k×喷头直径d。

4.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料3D打印路径规划方法，其特征在于，所述偏置方向D的选择依据为，分别计算初始基准路径与内、外轮廓的距离L_内，L_外，若L_内δL，L_外δL则分别向内和向外偏置，若L_内δL，L_外δL则分别向内不偏置和向外偏置，若L_内δL，L_外δL则分别向内偏置和向外不偏置，若L_内δL，L_外δL则分别向内和向外不偏置。

5.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料3D打印路径规划方法，其特征在于，所述的初始基准填充路径(3)可以为一条或多条。