近日⚜️，我校航空航天與力學學院李巖教授😿、楊偉東研究員課題組提出了采用激光加熱方式優化連續纖維增強復合材料3D打印過程中三維時變熱場的策略，建立了連續纖維增強復合材料3D打印過程的溫度-浸漬度-強度（“三度”）增材製造多尺度模型🏋🏻，揭示了3D打印過程中局部溫度歷史信息對復合材料軸向強度的影響規律，實現了3D打印連續纖維增強復合材料的軸向強度的提升🤘🏽，為減少復合材料增材製造結構的製造缺陷、提升其力學性能提供了有效方法。相關研究成果“Process-dependent Multiscale Modeling for 3D Printing of Continuous Fiber-reinforced Composites”在線發表於《增材製造》（Additive Manufacturing）💁🏼‍♀️。

3D打印由於其高製造靈活性和高效率☎，在輕質復合結構領域具有廣闊的應用前景。以3D打印為代表的增材製造技術🧱，正在被廣泛用於設計與製造各類幾何形狀復雜的多功能結構。然而👵🏻➞，在連續纖維增強復合材料的增材製造過程中👘，由於多相材料只能在沉積位置附近獲得短暫加熱👋🏿，並且高粘度的熱塑性樹脂在打印過程中的熔融時間極短，進而導致纖維束內的樹脂浸漬不充分🤦🏽‍♀️，最終使得3D打印的復合材料結構內部存在空隙缺陷🧝🏽。這些在3D打印過程中產生的初始缺陷是導致增材製造復合材料結構力學性能降低的主要原因，阻礙了3D打印連續纖維增強復合材料結構的工程應用。

基於3D打印的連續纖維增強復合材料零部件的各向異性特性可以豐富結構設計及優化方案，但其製造缺陷會導致力學性能顯著降低🤥👮🏼‍♂️。目前，針對連續纖維增強復合材料3D打印製造缺陷產生的機理研究仍然缺乏。該研究為了揭示連續纖維增強復合材料3D打印中的溫度-浸漬度-強度定量關系，對3D打印過程中的三維熱場和纖維束內受熱驅動的樹脂浸漬行為進行理論建模，並在模型中考慮了激光輔助加熱的源項。基於浸漬程度仿真的結果，並考慮浸漬程度在空間中分布的不均勻性，該研究進一步建立了相應的增材製造力學多尺度模型⛹🏽‍♂️，成功實現了復合材料增材製造結構軸向拉伸強度的預測🫷🏼。研究結果表明🦧，通過在打印過程中施加外部熱源，對增材製造時變熱場進行改善✧🚵🏽‍♀️，可有效提高3D打印連續纖維增強復合材料的軸向拉伸強度。該研究還對不同激光加熱功率以及打印速度工況下的試樣進行了實驗與仿真結果的對比，二者的高度一致性證明了所提出模型的有效性⛅️。最後，該研究提出的理論模型準確描述了連續纖維增強復合材料在3D打印中的溫度🧗‍♀️、浸漬度和拉伸強度之間的內在關系，構建了3D打印中工藝參數-細觀結構-力學性能關系的控製優化方法，為高效增材製造高性能復合材料結構提供了理論基礎，有望促進3D打印連續纖維增強復合材料在工程領域的廣泛應用🙇🏿‍♀️。

我校2020級直博生張峻銘為論文第一作者，李巖教授和楊偉東研究員為論文通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金和上海高等學校特聘教授（東方學者）項目的資助。（楊偉東）

論文鏈接☝🏿🩺：https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103680