CN110001067B - 一种连续纤维增强复合材料3d打印路径规划方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种连续纤维增强复合材料3D打印路径规划方法

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；

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。

本发明进一步的改进在于，当进行数据拟合时，数据拟合的方式为，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)；初始基准填充路径偏置距离δL＝比例因子k×喷头直径d。

本发明进一步的改进在于，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。

本发明进一步的改进在于，初始基准填充路径(3)可以为一条或多条。

本发明进一步的改进在于，连续纤维增强复合材料3D打印路径，适用于打印预浸渍树脂纤维丝的喷头和树脂与纤维丝实时共混的打印喷头。

通过本发明的技术方案，相比于现有技术可以实现以下有益效果：

不同于传统的栅格路径、偏置路径等路径规划算法，本发明的路径规划方法根据构件载荷作用下应力传递方向、应力分布情况及连续纤维增强复合材料增材制造工艺特点规划纤维排布路径，将连续纤维布置到构件内的应力传递方向上，可以实现纤维承载更多应力，达到提升构件力学性能，实现复合材料高性能、高效率制造的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的连续纤维增强复合材料路径规划方法流程图。

图2为本发明的连续纤维增强复合材料路径规划方法步骤图。

图3为本发明实例构件的受力情况。

图4为本发明根据构件应力分布特征路径规划示意图。

图5为本发明连续纤维增强复合材料构件。

1—构件单层轮廓，2—应力传递曲线上离散点，3—初始基准填充路径，4—轮廓外路径

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为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，该方法根据目标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。

路径规划的步骤具体如下：

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，如图2所示，对构件进行四边形单元网格划分，结合材料属性和图3所示的构件受力情况，设置构件有限元仿真模型的边界条件并进行仿真分析，根据计算结果获得如图2所示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)获得如图2所示的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)进行等距偏置处理从而密化填充路径，最终剔除轮廓外的路径获得图4所示的单层轮廓的填充路径；

8)对CLI文件定义的所有层轮廓按步骤6)、7)处理，获得图5所示整个模型的填充路径，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的坐标点信息，从而获得模型打印路径；

9)综合连续纤维增强复合材料打印热床温度、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。

在本实施例中，纤维主要指碳纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维，树脂主要指PLA(聚乳酸)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PI(聚酰亚胺)、PEEK(聚醚醚酮)等热塑性树脂；表征轮廓数据点信息的文件可以是CLI文件、SSL文件和SLC中的一种；有限元仿真软件为ANSYS、MSC.Patran、Hypermesh、ABAQUS中的一种。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的特征和步骤的数字表达式和数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通人员已知的技术和方法可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和方法应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

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。

6.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，所述的有限元仿真载荷条件和材料属性分别为：工件受到任意工况条件下的载荷和纯基体材料的材料属性。

7.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，所述的连续纤维增强复合材料3D打印路径，适用于打印预浸渍树脂纤维丝的喷头和树脂与纤维丝实时共混的打印喷头。

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