碳纖維熱塑性3D打印技術(shù)，最新的路徑算法

2022年4月27日，南極熊獲悉，最近在《增材制造》雜志上的一篇文章中，研究人員提出了一種用于熔融沉積成型 (FDM) 3D 打印機(jī)打印頭的路徑算法，在單筆路徑中實(shí)現(xiàn)連續(xù)打印，而無需每層。作者還使用X射線斷層掃描(CT)對(duì)制造的樣品進(jìn)行了表征分析。

△使用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性的3D打印，測試新型單沖程路徑規(guī)劃算法。 圖片來自Shutterstock

3D打印特有的可構(gòu)建復(fù)雜幾何形狀優(yōu)勢，在應(yīng)用于連續(xù)碳纖維制造方面受到了研究人員的極大關(guān)注，然而，3D打印機(jī)卻在使用碳纖維長絲方面仍未得到有效開發(fā)，因?yàn)樾枰~外的步驟來多次切割長絲。

研究背景
樹脂或短纖維作為FDM 3D打印機(jī)材料，其工作方式與使用連續(xù)纖維的3D打印機(jī)截然不同。然而，目前使用連續(xù)纖維遇到的困難是，由于同一層中的交叉點(diǎn)會(huì)在區(qū)域中，存在過多的材料沉積而破壞纖維束，從而限制了噴嘴的運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，限制交叉處的纖維分布而不改變其余部分，可以有條件地解決問題。

人們嘗試了多種方法，如通過噴嘴內(nèi)浸漬方法，或使用切片軟件創(chuàng)建路徑，并在交叉點(diǎn)或其它點(diǎn)執(zhí)行多次切割來限制纖維分布。然而，噴嘴內(nèi)浸漬法限制了最大纖維體積分?jǐn)?shù)，并且切片軟件會(huì)導(dǎo)致纖維的連續(xù)性變差，并削弱了纖維束的強(qiáng)度。

△關(guān)于3D打印碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件示意圖。圖片來自Goolge

關(guān)于研究
在本研究中，作者提出了一種單筆打印目標(biāo)幾何圖形的算法。他們基于目標(biāo)結(jié)構(gòu)創(chuàng)建了一個(gè)歐拉圖，并使用帶約束的Hierholzer算法生成了一條路徑。

該算法在輪廓內(nèi)生成單筆路徑，隨后將其轉(zhuǎn)換為無向圖，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為歐拉圖以形成單筆路徑。從歐拉圖計(jì)算歐拉回路可以確定行程的閉合。最后，這條路徑在所有的交叉路口都進(jìn)行了調(diào)整，并轉(zhuǎn)化為幾何代碼（G-code）。

研究成果
在本研究中，作者使用蜂窩和三角形圖案作為輸入，并使用X射線CT ScanXmate-L080TT在中央上部觀察構(gòu)建的樣本。

結(jié)果表明，在頂點(diǎn)的折疊部分產(chǎn)生的小間隙，這是由于纖維的不連續(xù)性和未附著到樹脂上造成的。這些間隙大大降低了樣品的剛度和強(qiáng)度。此外，用PLA材料構(gòu)建相同的復(fù)合物有助于比較形狀的重復(fù)性。而使用PCA卻沒有產(chǎn)生間隙，并且頂點(diǎn)角落的重復(fù)性非常高。

形成的間隙是由于三個(gè)形狀重復(fù)性問題。第一個(gè)問題是由于含有連續(xù)碳纖維長絲的剛度，以及無法在曲率處彎曲導(dǎo)致重復(fù)性差。此外，在嚴(yán)重的曲率下，長絲因轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性同樣顯著影響打印的重復(fù)性。


第二個(gè)問題是晶格曲率扭曲，這會(huì)導(dǎo)致打印路徑出現(xiàn)錯(cuò)誤。雖然準(zhǔn)確預(yù)測扭轉(zhuǎn)是可能的，但實(shí)際上它不可能為零。第三個(gè)問題是打印路徑中長絲的連續(xù)性。先前打印的方向與彎曲處的噴嘴方向之間的差異導(dǎo)致未對(duì)準(zhǔn)。這種錯(cuò)位可通過調(diào)整參數(shù)得到補(bǔ)償。

△Yamamoto, K., Luces, JVS, Shirasu, K., Hoshikawa 等。使用一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的3D打印機(jī)，測試新型單沖程路徑規(guī)劃算法。增材制造（2022 年，點(diǎn)我論文傳送門）。

研究結(jié)論
在這項(xiàng)研究中，作者在基于FDM的3D打印機(jī)中使用連續(xù)碳纖維作為材料，并提出了新的打印頭路徑規(guī)劃方法。所提出的方法為每一層生成了一個(gè)單筆劃打印路徑。每個(gè)算法步驟都是基于單筆路徑。

該方法適用于填充周期性圖案（具有可變厚度）和沒有周期性的復(fù)雜圖案。盡管本研究討論了該算法在晶格幾何中的應(yīng)用，但它也可以應(yīng)用于為其他幾何生成單筆劃路徑。

所提出的算法最適合復(fù)雜的幾何圖案打印。因此，作者期望將所提出的算法與從拓?fù)鋬?yōu)化中獲得的模式相結(jié)合。此外，這些算法在打印復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)時(shí)，依然存在兩個(gè)挑戰(zhàn)。首先是開發(fā)一種考慮連續(xù)纖維特性的技術(shù)，以打印具有3D交叉點(diǎn)的幾何形狀。第二個(gè)挑戰(zhàn)是根據(jù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D圖形限制來改變算法，并生成合適的路徑來打印目標(biāo)。