[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

说明书

本发明涉及一种连续纤维增强复合材料3D打印路径规划方法，属于复合材料和增材制造的交叉领域。本发明利用有限元仿真技术模拟分析构件在载荷作用下的应力分布，根据构件应力分布方向和传递特征以及纤维连续的特点，规划连续纤维增强复合材料增材制造打印路径。与传统路径规划方法相比，本发明提出的连续纤维增强复合材料3D打印路径规划方法可以有针对性的调整连续纤维取向，最大限度提升构件的承载能力，可以减少纤维材料的使用量，降低连续纤维增强复合材料的制造成本，实现连续纤维增强复合材料的高性能、高效率、高精度、低成本3D打印成形。

技术领域

本发明涉及一种连续纤维增强复合材料3D打印路径规划方法，属于复合材料与增材制造的交叉技术领域。

背景技术

连续纤维增强复合材料作为新一代先进复合材料，具备高比刚度、比强度，可设计性强等特性，广泛应用于航天飞行器、飞机、汽车、船舶和医疗等领域；然而，连读纤维增强复合材料传统成形工艺主要采用热压罐成形技术、RTM成形技术、纤维铺放技术和缠绕成形技术等，以上传统成形工艺过程复杂、手工和半自动工艺较多、模具开发周期长、制造成本高。

3D打印技术具有不需要模具、刀具、夹具及其它加工工序，直接利用三维设计数据在设备上精确快速制造任意复杂结构的特点，可以大大减少构件加工工序、缩短制造周期；通过连续纤维增强复合材料3D打印技术，可实现连续纤维复合材料构件一体化制造，为多功能、非均质、复杂结构连续纤维复合材料低成本、高效率、高精度、绿色化制造提供了可能性。

但目前针对连续纤维增强复合材料3D打印技术尚不完善，轮廓填充路径多采用栅格轮廓填充、轮廓偏置路径填充、混合路径填充等传统FDM工艺打印路径。当前国内外学者对关于连续纤维增强复合材料3D打印过程中转角过小、路径跳转等问题造成打印精度差和打印质量低的问题研究较多，但并未考虑纤维的打印方向和打印密度对复合材料的力学性能的影响。因此本发明提出了一种连续纤维增强复合材料3D打印路径规划方法，在相同纤维含量的前提下，提升复合材料构件力学性能。

发明内容

本发明主要提出一种连续纤维增强复合材料3D打印路径规划方法，该路径规划方法通过有限元仿真计算获得构件载荷作用下应力传递特征及应力分布情况，根据复合材料构件应力传递方向规划纤维排布路径，通过令纤维承载构件内的应力的方式来实现提升构件承载能力的效果。

为了达到上述的目的，本发明采用如下的技术方案：

一种连续纤维增强复合材料3D打印路径规划方法，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。

本发明进一步的改进在于，路径规划的具体步骤如下：

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；