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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?復(fù)合材料力學(xué) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

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公眾號(hào)

連續(xù)長絲制造、混凝土3D打印等基于擠壓的增材制造，具有可生成復(fù)雜幾何形狀的靈活性，這些技術(shù)已廣泛應(yīng)用于原型樣機(jī)、建筑、仿生結(jié)構(gòu)等制造。該技術(shù)是一個(gè)關(guān)于材料、打印精度、支撐優(yōu)化、應(yīng)力狀態(tài)的多目標(biāo)優(yōu)化過程，沉積材料的打印路徑策略是其中需要考慮的關(guān)鍵因素。

3D打印路徑填充方案一般可分為三類：輪廓平行路徑、定向平行路徑和其他空間填充曲線。對(duì)于基于擠壓的增材制造，過渡線通常在噴嘴移動(dòng)過程中出現(xiàn)，材料擠出量的不確定性將出現(xiàn)在下一個(gè)刀具路徑的開始處。為了搜索最短的行程，通常采用旅行商問題、蟻群優(yōu)化算法和遺傳算法來優(yōu)化打印路徑，但這些算法依然避免不了斷點(diǎn)問題的存在。對(duì)于線材制造，路徑開始時(shí)材料熔化不足會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部缺陷。此外，對(duì)于添加了連續(xù)增強(qiáng)纖維的熔融沉積打印，還需要有自動(dòng)剪切裝置。對(duì)于一般的改裝打印機(jī)，很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，噴嘴需要經(jīng)常抬起，等待手動(dòng)剪裁斷點(diǎn)處的連續(xù)纖維，然后才能沉積下一個(gè)細(xì)絲。商用打印機(jī)（如Markforged和Anisoprint）通常會(huì)在噴嘴上方安裝剪切裝置。然而，當(dāng)纖維長度小于剪切裝置和噴嘴出口的距離時(shí)，這類裝置是無法準(zhǔn)確切割纖維的。此外，頻繁剪裁對(duì)打印過程也沒有益處?；谏鲜鋈毕?，最佳解決方案是通過全局連接的刀具路徑來填充區(qū)域，以最小化斷點(diǎn)或者消除路徑沿線的斷點(diǎn)。

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此外，作為定向平行路徑之一，鋸齒形路徑是一種常見的填充模式，簡單且易于實(shí)現(xiàn)。然而，路徑中會(huì)存在尖角，影響制造精度。噴嘴運(yùn)動(dòng)不可避免的減速和加速，當(dāng)用連續(xù)的纖維打印混凝土?xí)r，由于纖維的剛度不同以及漿料和纖維之間的界面結(jié)合較弱，纖維容易在尖角處從基體材料中拉出。只有在打印低曲率填充曲線時(shí)才會(huì)呈現(xiàn)比較好的效果。

由鋸齒形路徑和輪廓路徑組成的混合路徑是基于擠壓的增材制造中應(yīng)用最廣泛的打印策略。近期，河北工大、皇家墨爾本理工、清華、同濟(jì)的研究人員提出了一種新的路徑方規(guī)劃案來連續(xù)填充連接的幾何圖形，論文標(biāo)題為“Globally continuous hybrid path for extrusion-based additive manufacturing”。

該項(xiàng)研究的創(chuàng)新之處在于：?

（1）實(shí)現(xiàn)了混合路徑的全局連續(xù)性，旨在消除路徑斷點(diǎn)帶來的負(fù)面影響。

（2）采用全局連續(xù)路徑的部分填充策略，節(jié)省打印材料和時(shí)間費(fèi)用。

（3）提出了一種填縫方法，將寬度小于噴嘴直徑的打印空隙牢固地填充。?

（4）開發(fā)了一種自適應(yīng)曲率優(yōu)化策略來緩解尖角導(dǎo)致的速度減速。

（5）全局連續(xù)混合路徑 (GCHP) 打印的樣品比之前的連續(xù)路徑打印的樣品具有更高的力學(xué)性能和制造質(zhì)量。

文章詳細(xì)解釋了全局連續(xù)混合路徑?(GCHP)? 的方法，包括路徑連續(xù)性、間隙填充和曲率優(yōu)化，介紹了由 GCHP 填充的可變復(fù)雜度形狀和相應(yīng)的計(jì)算費(fèi)用。在填充率、打印質(zhì)量、制造費(fèi)用和機(jī)械性能方面對(duì)可變路徑進(jìn)行了比較。

以下是文章中的部分美圖賞析，

圖 1? 單層不連續(xù)混合路徑生成示意圖

圖 2 局部連續(xù)性示意圖

圖 3?全局連續(xù)性示意圖

圖 4 間隙填充示意圖：(a) 底部填充間隙；(b) 填補(bǔ)空白的方法；(c) 施工結(jié)果。

圖5?模型打印實(shí)例

圖6? 使用實(shí)心填充策略的可變路徑的打印結(jié)果（紅色虛線表示噴嘴行進(jìn)的軌跡）

圖7??使用部分填充策略的 GCHP 打印結(jié)果

圖8 力學(xué)測試：(a) 模型和負(fù)載條件；(b) 輪廓 (Con) 路徑、CFS、鋸齒形 路徑和 GCHP 試樣的極限承載能力對(duì)比

小結(jié)

在基于擠壓的增材制造中，打印路徑填充模式會(huì)直接影響打印過程。為了克服路徑不連續(xù)性導(dǎo)致的打印缺陷，文章開發(fā)了一種全局連續(xù)的混合路徑規(guī)劃方法 (GCHP) 來完全填充或部分填充連接的域，實(shí)現(xiàn)了混合路徑的全局連續(xù)性，同時(shí)還能節(jié)省打印材料和打印時(shí)間，緩解尖角導(dǎo)致的速度減速，連續(xù)路徑打印的樣品具有更高的力學(xué)性能和制造質(zhì)量。該項(xiàng)研究為使用基于擠壓的增材制造的混合路徑制造奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：Lingwei Xia, Guowei Ma, Fang Wang, Gang Bai, Yi Min Xie, Weiguo Xu, Jianzhuang Xiao,Globally continuous hybrid path for extrusion-based additive manufacturing,Automation in Construction,Volume 137,2022,

104175.

原文鏈接（點(diǎn)擊左下角“閱讀原文”跳轉(zhuǎn)）：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926580522000486?via%3Dihub

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