【摘 要】
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碳纤维增强复合材料（CFRP）的比模量、比强度高,具有优秀的力学性能,在航空航天、军事、汽车工业等领域广泛应用。3D打印技术具有快速成型、自由成型的优势,将3D打印技术与碳纤维增强复合材料结合,可缩短碳纤维增强复合材料产品的开发周期并提高生产效率,也可发挥碳纤维增强复合材料的优秀性能。在3D打印的三维模型处理系统中,轨迹规划是十分重要的功能。针对连续碳纤维增强复合材料的轨迹规划进行研究,需要考虑打
【基金项目】
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2019江苏省科技计划重点项目子课题“连续纤维增强热塑性复合材料3D打印装备及关键技术开发”（项目编号:BE2019008-3）；
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碳纤维增强复合材料（CFRP）的比模量、比强度高,具有优秀的力学性能,在航空航天、军事、汽车工业等领域广泛应用。3D打印技术具有快速成型、自由成型的优势,将3D打印技术与碳纤维增强复合材料结合,可缩短碳纤维增强复合材料产品的开发周期并提高生产效率,也可发挥碳纤维增强复合材料的优秀性能。在3D打印的三维模型处理系统中,轨迹规划是十分重要的功能。针对连续碳纤维增强复合材料的轨迹规划进行研究,需要考虑打印材料中连续碳纤维的排布问题。以提高打印精度,改善打印质量为目的,本文主要研究内容如下:首先对碳纤维增强复合材料3D打印成型工艺进行分析,分析复合材料成型工艺的原理和特点,确定选用基于FDM的预浸渍连续碳纤维复合材料3D打印设备。分析其工艺流程,为3D打印轨迹规划提供理论基础和实验依据。其次对连续纤维增强热塑性复合材料（CFRTPCs）构件进行结构设计与性能分析。通过对连续纤维增强的打印层进行受力分析,获取拉伸过程中样条内部应力-应变情况。结合单层纤维排布打印层的受力情况设计了三种增强层分布的拉伸样件和六种层内纤维铺设角度不同的拉伸样件,引入刚度退化模型对样件拉伸断裂失效过程进行仿真。为连续纤维增强复合材料3D打印零部件的轨迹规划设计和打印参数设置提供指导。根据三维切片软件的工作流程设计了一系列算法,以保证连续碳纤维丝材在3D打印过程中的连续性。在数模载入阶段,设计了选择性增强分层处理算法提取CFRP增强层轮廓数据。在轨迹生成阶段,将轨迹分为填充路径,轮廓路径和跳转路径。对三种路径分别设计相应算法,减少了空行程并提高了打印精度。在作业文件生成阶段,研究了连续碳纤维增强复合材料3D打印作业文件的自动生成,根据跳转点判别CFRTPCs3D打印过程中的剪丝点坐标,完成分层增强的G代码生成算法。最后分析了CFRTPCs 3D打印机控制系统和打印装备,完成了CFRTPCs 3D打印轨迹规划算法的软件实现。根据路径填充算法完成CFRTPCs 3D打印实验,完成三种不同纤维排布的拉伸样件的力学性能测试,验证了轨迹规划算法的可行性。
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