连续碳纤维增强感知一体化智能结构增材制造与性能研究

发布时间：2020-09-16 21:40

　　三维打印作为一种新兴增材制造技术,其工艺过程简单,可实现复杂结构的一体化快速成型,成为高端制造领域不可或缺的关键支撑技术。其中热塑性材料熔融沉积成型因其成本低、易操作而成为应用最为广泛的三维打印技术之一。但当前三维打印热塑性材料结构存在机械强度低、缺乏感知功能的不足,极大地影响了结构件的可靠性,成为亟待突破的关键难题。本文以高强度智能化结构件增材制造为研究目标,通过集成连续碳纤维实现结构件的增强和状态自感知。从连续碳纤维-热塑性材料三维打印设备与工艺入手,研究连续碳纤维增强热塑性材料结构件的力学性能,并在此基础上,提出基于连续碳纤维力阻特性的三维打印结构件状态自监测方法,最后研究连续碳纤维增强感知一体化智能结构的创新应用。论文的主要研究工作和创新性成果归纳如下:(1)研究连续碳纤维增强感知一体化智能结构件的增材制造方法和力学性能。根据热塑性材料熔融沉积成型技术原理,设计开发了并联臂单喷头连续碳纤维热塑性材料三维打印机和双喷头连续碳纤维热塑性材料三维打印机,并对工艺参数进行优化。重点研究打印结构件的力学性能,提出了适合三维打印结构件拉伸力学性能计算的改进混合定律计算方法和基于最大强度理论的弯曲力学性能计算方法。(2)提出基于连续碳纤维力阻特性的三维打印结构件应力应变及结构损伤自监测方法。研究了三维打印连续碳纤维热塑性材料敏感元的传感机理与力阻特性。实验揭示了电阻相对变化率与应变之间存在双线性关系。基于梁弹性变形理论,提出了一种长标距一维力载荷监测方法,通过建立连续碳纤维热塑性材料阻值变化率与不同加载位置载荷间的对应关系,实现了一维变位置弯曲载荷的实时监测,最大监测误差为1.28%。针对大尺度结构件,提出一种连续碳纤维网格二维面域自监测方法,实现了载荷加载位置识别、变形场分布预测及结构损伤辨识。(3)实现在增材制造结构件损伤检测及损伤自修复中的创新应用。借助双喷头三坐标打印机,在连续碳纤维增强感知一体化结构件内部构建双组份微脉管网络,实现了打印结构件的损伤检测与修复。设计了三种双组份微脉管修复体系:平面型、螺旋型和交叉型,通过压缩实验研究了三种修复体系的损伤修复效果,修复后最大承载能力分别提高14.04±3.37%、17.00±9.34%、18.24±6.19%。采用三点弯曲实验研究了直线型修复体系-连续碳纤维增强结构状态自监测及损伤自修复能力。整个加载过程中连续碳纤维热塑性材料敏感元力阻特性表现为典型的四阶段特性:阻值线性增加阶段、阻值下降阶段、阻值平稳阶段和阻值急剧上升阶段,分别对应不同的结构状态,实现了结构状态实时监测及损伤修复过程监测,实验获得平均修复效率为30.15±1.49%。基于上述研究工作,论文建立了一种连续碳纤维增强感知一体化智能结构的增材制造新方法,研究成果可为高强度、高可靠、智能化结构件的设计与制造提供新思路和新途径。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

三维打印,高强度,轻量化,结构件

态保持不变，然后在壳体内部增加桁架结构保证结构的强度和刚度。采用蒙皮－桁架结构逡逑不仅可以减少打印材料使用，实现结构轻量化，还可减少打印时间，甚至可以极大提高打逡逑印结构件的力学性能，如图１．２所示。Ｗｕ等人［３１］提出一种仿生骨多孔结构生成方法，并用逡逑于生成三维打印结构内部支撑，可获得高强度轻量化结构。Ｑｕａｎ等人［３２］提出一种基于等效逡逑体积单元法ＲＶＥ构建多方向高强度结构件。Ｓｔａｖａ等人［３３］开发出一套复杂的软件解决方案，逡逑通过增加肋筋和内部支撑的方法提高三维打印结构的强度。Ｚｈａｏ等人［３４］提出一种基于层逡逑片深度法式图像ＬＤＮＩｓ的复杂模型抽壳操作并在模型空腔中嵌入桁架结构支撑获得高强逡逑度轻量化结构。Ｙｉｎｇ等人１＾１提出一种基于各向异性质心维诺Ｖｏｒｏｎｏｉ细分结构和２．邋５维逡逑域迭代优化框架的各向异性多孔结构建模算法，该方法对应力张量场具有很好的适应性，逡逑可获得高比强度的三维打印结构件。逡逑（ａ）仿生骨多孔结构［３１］逡逑．\d＋ＩＰ邋－邋ｍＨＲ逡逑（ｂ）邋ＬＤＮＩｓ抽壳－桁架结构［３４］逡逑ｍｍｍｍ逡逑（Ｃ）各向异性多孔结构［３５］逡逑图１．邋２几种基于多孔结构的三维打印轻量化高强度零部件结构优化设计方法逡逑基于增强材料的高强度结构件三维打印研究。通过在基体材料中添加增强体可有效改逡逑４逡逑

热塑性基,三维打印,熔融沉积,体材料

日本东京理科大学Ｍａｔｓｕｚａｋｉ等人［６＂开发出一款连续纤维－热塑性基体材料实时混合逡逑打印喷头，实现连续纤维和热塑性基体材料的在机实时混合打印，该喷头适用于多种连续逡逑纤维和基体材料的打印，如图１．４所示。采用该打印机制造的连续碳纤维聚乳酸复合材料逡逑试件的拉伸强度比纯聚乳酸试件提高６倍，弹性模量增加４倍多。Ｈａｕｋｅ等人［６８］设计出在逡逑原始打印头两侧嵌入可输送纤维丝束的喷头，实现连续纤维增强复合材料的打印，并提出逡逑可减少支撑材料的细胞式打印模式、基于负载的打印模式和选择性支撑模式等几种打印模逡逑式。西安交通大学Ｙａｎｇ等人［６９］研发一种专用复合材料打印头，结合传统熔融沉积成型桌逡逑面式打印台实现连续纤维热塑性复合材料打印，所打印连续纤维增强丙烯腈－丁二烯－苯乙逡逑烯复合材料试件拉伸强度比纯丙烯腈－丁二烯－苯乙烯试件提高５倍多，弯曲强度提高２倍逡逑多。逡逑图１．４连续纤维－热塑性材料实时混合打印喷头［６７］逡逑基于纤维铺敢技术的连续纤维－基体材料三维打印相关研究。Ｍｏｒｉ和Ｎａｋａｇａｗａ等人逡逑％邋７１１提出一种连续碳纤维热塑性材料结构无模成型工艺，通过三维打印机打印上下两个热逡逑７逡逑

实时混合,连续纤维,热塑性材料,喷头

同轴挤出模逦挤出头邋牵引机邋；逡逑图１．３熔融沉积三维打印工艺的连续碳纤维热塑性基体材料预浸料的制备与打印［６６］逡逑连续碳纤维－基体材料实时混合相关研究。将连续碳纤维与基体材料分别作为源材料逡逑提供给打印机进行实时混合，不需要反复熔融－固化过程，可一次获得最终打印零部件，逡逑因此该方法具有更广的应用范围，既可适合于热塑性基体材料，也可适用于热固性基体材逡逑料。日本东京理科大学Ｍａｔｓｕｚａｋｉ等人［６＂开发出一款连续纤维－热塑性基体材料实时混合逡逑打印喷头，实现连续纤维和热塑性基体材料的在机实时混合打印，该喷头适用于多种连续逡逑纤维和基体材料的打印，如图１．４所示。采用该打印机制造的连续碳纤维聚乳酸复合材料逡逑试件的拉伸强度比纯聚乳酸试件提高６倍，弹性模量增加４倍多。Ｈａｕｋｅ等人［６８］设计出在逡逑原始打印头两侧嵌入可输送纤维丝束的喷头，实现连续纤维增强复合材料的打印，并提出逡逑可减少支撑材料的细胞式打印模式、基于负载的打印模式和选择性支撑模式等几种打印模逡逑式。西安交通大学Ｙａｎｇ等人［６９］研发一种专用复合材料打印头，结合传统熔融沉积成型桌逡逑面式打印台实现连续纤维热塑性复合材料打印

【参考文献】