CFRTPCs的多尺度設計製造策略如圖1所示，以MBB梁為(wei) 例進行說明。考慮到連續纖維複合材料的各向異性特性，基於(yu) 複合材料本構模型與(yu) 特定工況條件，對纖維取向和結構拓撲進行了並行優(you) 化，獲得了具有宏觀拓撲幾何特性和微觀單元最優(you) 纖維取向的並行優(you) 化結果。為(wei) 保證纖維軌跡的連續性，對並行優(you) 化結果中的離散單元纖維取向進行了修正。同時，提出了一種基於(yu) 哈密頓路徑的纖維軌跡設計方法，為(wei) 3D打印路徑規劃提供了指導。最後，基於(yu) 以上方法生成具有連續纖維軌跡的3D打印路徑，實現了CFRTPCs各向異性的優(you) 勢，滿足了3D打印工藝的要求。

圖1 設計與(yu) 製造策略

CFRTPCs構件通過陝西斐帛科技有限公司的FDM 3D打印機進行製備，如圖2所示，通過基體(ti) 材料可調節進給在熱端噴嘴內(nei) 與(yu) 連續纖維進行在線浸漬和擠壓成型。

圖2 3D打印示意圖

基於(yu) FDM 3D打印，對MBB梁進行了製備，如圖3所示。在不考慮微觀纖維取向的情況下，對CFRTPCs的單尺度結構進行了拓撲優(you) 化。同時，在相同設計與(yu) 工藝條件下，采用維軌跡和拓撲結構並行優(you) 化的方法製備了多尺度MBB梁。

圖3 3D打印MBB梁構件：單尺度結構（左），多尺度結構（右）

性能測試如圖4所示，分析結果表明，MBB梁多尺度結構剛度為(wei) 541.77 N/mm，明顯高於(yu) 單尺度結構的397.56 N/mm。多尺度結構強度較單尺度結構有顯著提高，最大承載力分別為(wei) 1406.44 N和855.35 N。因此，優(you) 化後的變方向纖維軌跡可以極大地利用CFRTPCs在力學性能方麵的優(you) 勢，實現輕量化結構更高的承載性能。

圖4 MBB梁實驗結果

基於(yu) 多尺度結構設計與(yu) 製造策略，製備了懸臂梁結構，如圖5所示。同時，製備了以直線纖維為(wei) 打印路徑的單尺度懸臂梁，並其進行了力學性能測試對比分析。如圖6所示，優(you) 化微纖維取向在多尺度設計中表現出更高的剛度和強度，結構剛度為(wei) 184.96 N /mm，最大承載力為(wei) 734.35 N。相比之下，單尺度設計的結構剛度的82.92 N /mm，最大承載力為(wei) 482.62 N。

圖5 3D打印懸臂梁構件：單尺度結構（左），多尺度結構（右）

圖6 懸臂梁實驗結果

通過多尺度並行設計方法，對MBB梁和懸臂梁進行了優(you) 化設計、3D打印與(yu) 性能評估，並與(yu) 單尺度結構進行了比較。MBB梁的結構剛度和最大承載力分別提高了36.27%和64.43%，懸臂梁的結構剛度和最大承載力分別提高了123.07%和52.16%。因此，多尺度並行設計和3D打印可以充分發揮連續纖維增強複合材料的優(you) 越性能，在航空、航天、汽車、醫療等領域具有巨大的潛在應用前景。

研究團隊自2014年率先開展連續纖維增強複合材料3D打印研究，先後獲得了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等多個(ge) 項目的資助，共發表論文34篇，其中SCI論文24篇，ESI收錄論文3篇，累計他引998次，最高單篇他引365次（Web of science 核心庫），獲2019年《Composite Part A》期刊最高被引論文獎、《機械工程學報》第五屆優(you) 秀論文獎；培養(yang) 博士3名、碩士5名，出版《纖維增強樹脂基複合材料增材製造技術》專(zhuan) 著1部；獲授權發明專(zhuan) 利17件，授權實施2件，技術轉讓10件；入選2020年“科創中國”榜單-先導技術（裝備製造領域十項技術之一），獲得2021年度製造類SAMPE中國創新獎（複合材料製造類唯一獲獎項目）。

原文鏈接：

http://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.115241