碳纤维热塑性3D打印技术，最新的路径算法

2022年4月27日，南极熊获悉，最近在《增材制造》杂志上的一篇文章中，研究人员提出了一种用于熔融沉积成型 (FDM) 3D 打印机打印头的路径算法，在单笔路径中实现连续打印，而无需每层。作者还使用X射线断层扫描(CT)对制造的样品进行了表征分析。

△使用连续碳纤维增强热塑性的3D打印，测试新型单冲程路径规划算法。 图片来自Shutterstock

3D打印特有的可构建复杂几何形状优势，在应用于连续碳纤维制造方面受到了研究人员的极大关注，然而，3D打印机却在使用碳纤维长丝方面仍未得到有效开发，因为需要额外的步骤来多次切割长丝。

研究背景
树脂或短纤维作为FDM 3D打印机材料，其工作方式与使用连续纤维的3D打印机截然不同。然而，目前使用连续纤维遇到的困难是，由于同一层中的交叉点会在区域中，存在过多的材料沉积而破坏纤维束，从而限制了喷嘴的运动。在这种情况下，限制交叉处的纤维分布而不改变其余部分，可以有条件地解决问题。

人们尝试了多种方法，如通过喷嘴内浸渍方法，或使用切片软件创建路径，并在交叉点或其它点执行多次切割来限制纤维分布。然而，喷嘴内浸渍法限制了最大纤维体积分数，并且切片软件会导致纤维的连续性变差，并削弱了纤维束的强度。

△关于3D打印碳纤维复合材料结构件示意图。图片来自Goolge

关于研究
在本研究中，作者提出了一种单笔打印目标几何图形的算法。他们基于目标结构创建了一个欧拉图，并使用带约束的Hierholzer算法生成了一条路径。

该算法在轮廓内生成单笔路径，随后将其转换为无向图，进一步转换为欧拉图以形成单笔路径。从欧拉图计算欧拉回路可以确定行程的闭合。最后，这条路径在所有的交叉路口都进行了调整，并转化为几何代码（G-code）。

研究成果
在本研究中，作者使用蜂窝和三角形图案作为输入，并使用X射线CT ScanXmate-L080TT在中央上部观察构建的样本。

结果表明，在顶点的折叠部分产生的小间隙，这是由于纤维的不连续性和未附着到树脂上造成的。这些间隙大大降低了样品的刚度和强度。此外，用PLA材料构建相同的复合物有助于比较形状的重复性。而使用PCA却没有产生间隙，并且顶点角落的重复性非常高。

形成的间隙是由于三个形状重复性问题。第一个问题是由于含有连续碳纤维长丝的刚度，以及无法在曲率处弯曲导致重复性差。此外，在严重的曲率下，长丝因转动的惯性同样显著影响打印的重复性。


第二个问题是晶格曲率扭曲，这会导致打印路径出现错误。虽然准确预测扭转是可能的，但实际上它不可能为零。第三个问题是打印路径中长丝的连续性。先前打印的方向与弯曲处的喷嘴方向之间的差异导致未对准。这种错位可通过调整参数得到补偿。

△Yamamoto, K., Luces, JVS, Shirasu, K., Hoshikawa 等。使用一种连续碳纤维增强热塑性塑料的3D打印机，测试新型单冲程路径规划算法。增材制造（2022 年，点我论文传送门）。

研究结论
在这项研究中，作者在基于FDM的3D打印机中使用连续碳纤维作为材料，并提出了新的打印头路径规划方法。所提出的方法为每一层生成了一个单笔划打印路径。每个算法步骤都是基于单笔路径。

该方法适用于填充周期性图案（具有可变厚度）和没有周期性的复杂图案。尽管本研究讨论了该算法在晶格几何中的应用，但它也可以应用于为其他几何生成单笔划路径。

所提出的算法最适合复杂的几何图案打印。因此，作者期望将所提出的算法与从拓扑优化中获得的模式相结合。此外，这些算法在打印复杂的3D结构时，依然存在两个挑战。首先是开发一种考虑连续纤维特性的技术，以打印具有3D交叉点的几何形状。第二个挑战是根据复杂结构的3D图形限制来改变算法，并生成合适的路径来打印目标。