Multiscale concurrent design and 3D printing of continuous fiber reinforced thermoplastic composites with optimized fiber trajectory and topological structure

材料科学 3D打印 纤维 热塑性复合材料 热塑性塑料 复合材料 弹道 纤维增强复合材料 拓扑(电路) 数学 物理 天文 组合数学
作者
Yiming Huang,Xiaoyong Tian,Ziqi Zheng,Dichen Li,Andrei V. Malakhov,А. Н. Полилов
出处
期刊:Composite Structures [Elsevier BV]
卷期号:285: 115241-115241 被引量:89
标识
DOI:10.1016/j.compstruct.2022.115241
摘要

3D printing of continuous fiber reinforced thermoplastic composites (CFRTPCs) enables the fabrication of multiscale structures, whose features can simultaneously span the microscale fiber trajectory and macroscale topological structure. In this study, a multiscale design and manufacturing strategy integrating concurrent optimization of micro fiber orientation and macro structural topology was developed for CFRTPCs and realized by ingenious path planning for 3D printing process. Typical structures, such as Messerschmitt-Bölkow-Blohm (MBB) beam and cantilever beam, were verified experimentally in comparison with the monoscale structures. Structural stiffness and peak load could be improved by 36.27% and 64.43% respectively for MBB beam, 123.07% and 52.16% respectively for cantilever beam, showing the significant influence on concurrent material and structure design for CFRTPCs. Multiscale concurrent design and 3D printing could promote the potential of CFRTPCs, and even challenge traditional design and manufacturing mechanism relating material and structure scale.
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