北航：3D打印连续纤维增强复合材料过程建模与变形预测

一、引言

近日，Composites Science and Technology 期刊发表了由北京航空航天大学机械工程及自动化学院研究团队完成的关于3D打印连续纤维增强热塑性复合材料（Continuous Fiber-Reinforced Thermoplastic Composites；CFRTPCs）过程建模与变形预测的研究成果。该研究提出了一种结合原位微尺度温度测量与多尺度过程建模的方法，首次实现了对打印过程中预浸丝全生命周期温度梯度的精确表征，并通过实验验证了模型的准确性。论文标题为“Process modeling and deformation prediction of 3D printed continuous fiber-reinforced composites based on in-situ micro-scale measuring”。

二、研究内容

研究人员使用YJ-X300-M型3D打印机，以PA6/碳纤维预浸丝（6K-PA6/CCF）为原料，在基板上逐层沉积单层S形路径的样品（尺寸100 mm×10 mm×h mm）。通过调整层厚（h）探究工艺参数对变形的影响。

为测量微尺度温度分布，研究团队开发了一种嵌入式温度敏感预浸丝。采用直径约100 μm的超细热电偶，嵌入T800H碳纤维束与PA6树脂复合的预浸丝中心。通过S形路径的浸渍模具（温度300°C）确保热电偶与纤维束均匀结合。

利用热膨胀仪（DIL402Expedia Supreme）和激光导热仪（LFA 467）等设备，测量了PA6及PA6/CCF复合材料的热扩散系数、比热容和热膨胀系数。结果显示，复合材料的热膨胀系数随温度升高呈负值，主要由碳纤维的负膨胀特性主导。

温度与力场测量方法如下：

温度测量：采用三个热电偶分别监测喷嘴内壁温度（测点i）、预浸丝中心温度（测点ii）和层间温度（测点iii）。

力场测量：通过力传感器（JLBS-M2）和薄膜压力传感器（DP9-40）实时采集打印张力和压力。

图1 温度敏感预浸丝制备流程：(a) 制备示意图，(b) 树脂浸渍过程，(c) 设备主要组件及温度敏感预浸丝截面结构

图2 (a) 原位打印温度测量示意图，(b) 原位打印力场监测平台示意图

图3 力场测量系统采集的数据：(a) 打印张力，(b) 打印压力

显微观察显示，热电偶与预浸丝界面结合良好。实验测得喷嘴接触区（测点i）、预浸丝中心（测点ii）和基板接触区（测点iii）的温度分别为270.28°C、244.89°C和137.25°C，证实了挤出过程的非均匀加热特性。

基于CT扫描数据构建了喷嘴-预浸丝几何模型，采用ABAQUS进行瞬态热分析。通过校准接触热导率（6 mW/(mm²·°C)），模拟结果与实验数据误差小于5%。研究发现，提高材料热导率可降低温度梯度，而打印温度升高会加剧冷却速率。

结合温度场与力场数据，采用“单元生死技术”模拟逐层打印过程。加载移动热源（高斯拟合等温截面）和实测力场，最终预测了残余应力释放后的变形。实验验证表明，Z向位移模拟误差小于5%，远优于传统等温假设模型（误差约20%）。

图4 (a) 温度敏感预浸丝的截面，(b) 温度测点分布，(c) 打印过程中采集的温度数据

图5 (a) 喷嘴内部纤维取向表征方法，(b) 表征及三维重建后的结果

图6 (a) 挤出过程的有限元模型，(b) 喷嘴与预浸丝接触的局部截面，(c) 预浸丝的主要热影响区，(d) 有限元模型与实验测点的空间对应位置

图7 (a) 挤出过程的静态模拟，(b) 打印过程的动态模拟，(c) 不同等温截面的高斯曲面拟合

图8 (a) 打印结束时的内部残余应力，(b) 脱离基板后的应力释放结果，(c) 脱离基板后的Z方向位移

三、小结

该研究通过原位微尺度测量与多尺度建模，揭示了3D打印CFRTPCs过程中残余应力的形成机制，并提出工艺优化方向（如调整热导率和打印温度）。模型精度高（误差<5%），为复杂多层结构的变形控制提供了理论基础。未来将结合机器学习进一步降低计算成本。

原始文献：

Ouyang, S., Li, D., Zhu, W., Fu, L., Zhang, Z., Wang, N., & Zhi, Q. (2025). Process modeling and deformation prediction of 3D printed continuous fiber-reinforced composites based on in-situ micro-scale measuring. *Composites Science and Technology, 267*, 111209.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2025.111209

责任编辑：复小可

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