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非平面增材制造（AM）在增強(qiáng)層間結(jié)合力和零件表面光滑度方面表現(xiàn)出巨大潛力，為連續(xù)纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制造提供了更為靈活的解決方案，從而充分發(fā)揮材料性能。本研究開發(fā)了一種三軸打印機(jī)，該打印機(jī)采用可調(diào)節(jié)的纖維打印頭，實(shí)現(xiàn)了預(yù)浸連續(xù)纖維的非平面切片（NPS）增材制造。研究深入探討了沉積傾角對打印樣品表面粗糙度的影響，并設(shè)計(jì)打印了連續(xù)碳纖維（CF）、玻璃纖維（GF）及混合纖維復(fù)合材料的NPS樣品。此外，研究評估了打印件的彎曲失效形態(tài)，并通過制造雙正弦曲面結(jié)構(gòu)和球面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了NPS方法的有效性。結(jié)果表明，為保證連續(xù)纖維打印零件的表面精度，沉積傾角應(yīng)控制在15°以下。與平面切片（PS）方法相比，采用NPS方法打印的曲面彎曲樣品在彎曲性能和表面精度上顯著提升。其中，NPS-CF樣品的最大彎曲力提高了170%以上，表面粗糙度降低了63%。

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTC）因其重量輕、高強(qiáng)度、耐腐蝕、各向異性及可定制的材料特性，在航空航天、汽車和建筑等對輕量化有較高要求的制造領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。增材制造（AM），又稱為三維（3D）打印，是一種通過逐層堆疊離散材料來制造零件的技術(shù)，理論上可以實(shí)現(xiàn)無需模具的快速制造復(fù)雜幾何形狀的單個零件。因此，AM技術(shù)為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件的制造提供了快速高效的解決方案。此外，AM工藝顯著提高了內(nèi)部纖維取向分布的設(shè)計(jì)靈活性，從而最大化連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的減重和優(yōu)越設(shè)計(jì)能力?；谏鲜鰞?yōu)勢及巨大潛力，連續(xù)纖維復(fù)合材料的AM技術(shù)近年來備受關(guān)注并不斷發(fā)展。

熔融沉積成型（FDM）是一種傳統(tǒng)的材料擠出AM工藝，廣泛用于通過噴嘴擠出細(xì)絲來成型部件。該技術(shù)尤其在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制造中應(yīng)用廣泛，并與纖維的連續(xù)特性高度契合，使其成為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料AM的重要工藝。為了增強(qiáng)打印復(fù)合材料中連續(xù)纖維的浸漬效果，預(yù)浸連續(xù)纖維絲材的使用已被證明是有效的，并已得到廣泛商業(yè)化。FDM-3D打印技術(shù)與連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)合顯著提升了打印件的整體力學(xué)性能，并在制備連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時具有高材料利用率、設(shè)計(jì)靈活性高及可制造定制復(fù)雜形狀等多項(xiàng)優(yōu)勢。為提升連續(xù)纖維復(fù)合材料的打印質(zhì)量，研究人員對纖維錯位和斷裂的形成機(jī)制及優(yōu)化的纖維沉積方法進(jìn)行了研究，極大地豐富了連續(xù)纖維成形理論。然而，連續(xù)纖維FDM 3D打印技術(shù)普遍存在階梯效應(yīng)、彎曲特征結(jié)合差以及厚度方向機(jī)械性能較弱等問題。

非平面AM是一種通過堆疊由非平面切片組成的材料層來成型零件的工藝，通?；诹慵膸缀涡螤罨蛐阅苄枨笤O(shè)計(jì)切片，而不是遵循傳統(tǒng)的固定平行平面層。非平面切片（NPS）已被廣泛應(yīng)用于多軸3D打印中，并開發(fā)了一些先進(jìn)的曲面切片工具來實(shí)現(xiàn)多個制造目標(biāo)，如支撐結(jié)構(gòu)減少、強(qiáng)度增強(qiáng)、表面質(zhì)量提升及切片效率提高。Chen等人提出了一種基于應(yīng)力場的刀具路徑生成方法，該方法自適應(yīng)地控制刀具路徑分布密度，與應(yīng)力值成正比，大幅提高了材料利用效率。Fang等人將曲線路徑規(guī)劃應(yīng)用于連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的制造中，纖維路徑在關(guān)鍵區(qū)域沿最大應(yīng)力方向分布，從而在復(fù)雜承載打印件中實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的力學(xué)性能。上述研究在多軸3D打印切片和連續(xù)纖維路徑規(guī)劃領(lǐng)域取得了重大突破。已有研究表明，非平面AM可以通過三軸打印機(jī)完成，并且已開發(fā)出多種NPS及路徑規(guī)劃方法。Ahlers等人提出了一種結(jié)合非平面和平面層的切片方法，使用Slic3r工具生成無碰撞刀具路徑，提升了物體表面平滑度和強(qiáng)度。Pelzer等人開發(fā)了具有可變層高的非平面路徑規(guī)劃算法，并引入了適用于非平面AM的噴嘴幾何選擇方法，結(jié)果顯示該方法制造的零件機(jī)械性能得到改善，彎曲頂面表面粗糙度降低了76%。三軸打印機(jī)用于非平面AM的優(yōu)勢在于設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，切片與路徑規(guī)劃僅涉及三軸協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了設(shè)備適應(yīng)性。NPS可以顯著提升三軸打印機(jī)的制造能力，并拓展其應(yīng)用市場。然而，目前針對三軸打印機(jī)進(jìn)行連續(xù)纖維非平面AM的研究較少。另一方面，三軸打印機(jī)的非平面AM受限于沉積角度，難以打印出具有明顯曲率的層。因此，有必要研究基于三軸打印機(jī)的連續(xù)纖維復(fù)合材料非平面AM的制造能力及適用范圍。

通過改進(jìn)纖維打印頭的設(shè)計(jì)，本文實(shí)現(xiàn)了在無幾何干涉的情況下以15°傾角打印，確保了良好的表面形貌。采用NPS方法制造了連續(xù)碳纖維（CF）、玻璃纖維（GF）及混合纖維復(fù)合材料的曲面樣品，并對其表面形貌和彎曲性能進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)并制造了雙正弦曲面結(jié)構(gòu)和曲面薄壁網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了該NPS方法的有效性和多樣性。本研究為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的非平面AM提供了寶貴的參考和指導(dǎo)。

2.1. 雙打印頭三軸增材制造平臺

本研究所使用的打印機(jī)是一臺定制的雙打印頭三軸打印機(jī)，該打印機(jī)在我們之前的研究中基于自制打印機(jī)進(jìn)行了改裝，其中兩個打印頭分別用于平面增材制造（AM）和非平面AM模式。如圖1(a)所示，樹脂打印頭是固定的，而纖維打印頭則安裝在可沿Z軸垂直移動的滑臺上。纖維噴嘴的高度位置可以通過滑臺上的調(diào)節(jié)螺釘和止動螺釘進(jìn)行調(diào)節(jié)和固定。在平面打印模式下（圖1(b1)），纖維噴嘴出口與樹脂噴嘴出口水平對齊，主要用于打印樹脂支撐部件。完成支撐打印后，需將纖維打印頭下調(diào)并固定，如圖1(b2)所示，以在非平面打印期間避免幾何干涉，然后進(jìn)行連續(xù)纖維曲面層的打印。值得注意的是，纖維打印頭包括一個預(yù)浸連續(xù)纖維絲材切割機(jī)構(gòu)，允許在打印過程中手動切換纖維類型，以制造混合纖維復(fù)合材料部件。

圖1. 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的雙打印頭及兩種打印模式的示意圖。(a) 為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的雙打印頭裝置；(b) 為兩種打印模式的示意圖，其中(b1) 為平面打印模式，(b2) 為非平面打印模式。

為了確定打印頭在曲面打印中的制造能力并優(yōu)化打印件的結(jié)構(gòu)，有必要探索其可成型的傾斜角度范圍。如圖2(a)所示，由于噴嘴的結(jié)構(gòu)干涉，最大沉積傾角為20°?；诖?，設(shè)計(jì)了一個包含 ±5°、±10°、±15°和 ±20° 傾斜平面的部件。該部件的具體尺寸如圖2(a)所示。該部件采用0°和90°纖維鋪設(shè)方式打印，其實(shí)物圖如圖2(c)所示。分別觀察并測量了各傾斜平面的形貌和表面粗糙度。圖4(d)展示了不同纖維方向下各傾斜平面的表面粗糙度結(jié)果。顯然，隨著傾斜角度的增加，表面粗糙度增加，當(dāng)達(dá)到20°時，表面質(zhì)量顯著下降。如圖2(e)所示，0°纖維排列表面的精度下降主要由于纖維路徑之間的臺階效應(yīng)，而90°纖維排列表面則表現(xiàn)為路徑重疊及不可接受的間隙（圖2(f)）。因此，切片表面的切線斜率應(yīng)小于tan 20°才能進(jìn)行制造。斜率越大，纖維打印質(zhì)量越差。這種現(xiàn)象可歸因于噴嘴對絲材的壓力不足、絲材底部的熱傳導(dǎo)不充分（熱塑性基體熔化以促進(jìn)界面結(jié)合所必需），以及顯著的纖維斷裂。

為了獲得滿意的打印效果，切片表面的切線斜率應(yīng)小于tan15°。

圖2. 纖維打印頭的最大沉積傾斜角度及打印樣件的各項(xiàng)特征。(a)為纖維打印頭的最大沉積傾斜角；(b)為尺寸圖；(c)為實(shí)物圖；(d)為不同傾斜平面的表面粗糙度結(jié)果；(e)和(f)為不同傾斜平面打印樣件的表面形貌。

2.2. 非平面切片

Rhino/Grasshopper是一種廣泛用于參數(shù)化曲面設(shè)計(jì)的可視化編程語言，也可用于增材制造（AM）的路徑規(guī)劃?；谏鲜龃蛴≡O(shè)備情況，在Rhino/Grasshopper平臺上開發(fā)了一種切片程序，其切片過程如圖3所示。與典型的平面切片（PS）方法不同，在Rhino/Grasshopper中，可以選擇或構(gòu)建任意曲面來均勻切片模型，切片間距代表打印層厚度。路徑規(guī)劃填充可以在切片曲面上執(zhí)行，并可選擇填充方向和填充率。隨后，依次連接各切片層的曲線，將曲線路徑劃分為多個段，識別各斷點(diǎn)的坐標(biāo)，并基于段長計(jì)算材料擠出值，最終生成用于打印的G代碼文件。

圖3. 非平面切片（NPS）和增材制造（AM）方法的示意圖

圖4. 曲面樣件的不同特征。(a) 為曲面樣件的三維幾何尺寸圖；(b) 為打印的非平面切片（NPS）樣件和平面切片（PS）樣件；(d) 為彎曲測試的現(xiàn)場圖；(e) 為力-位移曲線；(f) 為曲面樣件的彎曲力結(jié)果。

支撐結(jié)構(gòu)的三維模型通過將打印模型的底面拉伸至打印平面獲得，然后通過常規(guī)PS方法生成打印G代碼文件。值得注意的是，由于曲面切片過程是從下至上連接每個曲面切片層的曲線，這些曲線層的路徑規(guī)劃可以統(tǒng)一設(shè)置，也可對特定層進(jìn)行單獨(dú)配置。打印順序首先在平面打印模式下打印支撐結(jié)構(gòu)，然后調(diào)整噴嘴至最低點(diǎn)，開始在支撐表面進(jìn)行連續(xù)纖維打印。

所使用的絲材為預(yù)浸尼龍樹脂的連續(xù)碳纖維（CF）和玻璃纖維（GF）（Markforged，美國）。根據(jù)官網(wǎng)信息和前期研究，連續(xù)纖維絲材的主要參數(shù)列于表1中。為方便后處理支撐的去除，選用柔性水溶性材料PVA樹脂（易生，PVA，中國）作為支撐材料。由于PVA樹脂與連續(xù)纖維浸漬的尼龍樹脂兼容性較差，因此在打印部件前需要在支撐表面貼上遮蔽膠帶，然后在膠帶表面涂抹聚合物粘合劑（Elmer's, e543，美國）。主要的打印工藝參數(shù)也列于表1中。

打印溫度主要由絲材中樹脂的熔點(diǎn)決定，打印層厚度設(shè)定為0.125 mm。純樹脂絲材的打印路徑寬度由打印噴嘴的直徑?jīng)Q定，設(shè)定為0.4 mm。預(yù)浸連續(xù)纖維絲材的打印過程本質(zhì)上是對絲材進(jìn)行壓制和展平，因此纖維絲材的打印路徑寬度（w）由打印層厚度（h）和絲徑（D）決定，其關(guān)系如公式所示：

根據(jù)計(jì)算，CF絲材的路徑寬度設(shè)定為0.815 mm，而GF絲材的路徑寬度設(shè)定為0.680 mm。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)觀察與力學(xué)測試

使用激光掃描顯微鏡（LSM，VK-X 200 K，日本基恩士）對所有打印的NPS樣品的表面形貌進(jìn)行觀察，并測量其表面粗糙度。彎曲失效樣品的損傷形貌使用數(shù)碼顯微鏡（AM73915，大像素，中國）拍攝。彎曲測試由萬能試驗(yàn)機(jī)（WDW-50E，時代，中國）進(jìn)行，跨距為50 mm，加載速度為2 mm/min。每種類型至少測試五個樣品。

3.1 3D打印曲面樣品的表面粗糙度與彎曲行為

為探究和驗(yàn)證NPS方法在提高零件性能和表面質(zhì)量方面的有效性，設(shè)計(jì)了一種用于彎曲測試和表面形貌觀察的弧形樣件，其尺寸如圖4(a)所示，基于Li等人的研究。實(shí)際打印的樣品如圖4(b)所示，圖4(b1)和圖4(b2)分別為預(yù)浸漬連續(xù)CF和GF打印的樣品。特別地，圖4(b3)中的NPS(GF-CF)樣品是下半部分為GF、上半部分為CF的混合纖維打印件，而圖4(b4)中的NPS(CF-GF)樣品則相反。作為對比，CF和GF增強(qiáng)復(fù)合材料樣品采用平面切片法打印，如圖4(c)所示。所有樣品的纖維方向?yàn)?°。六種類型樣品的力-位移曲線和彎曲力結(jié)果分別顯示在圖4(e)和(f)中。

結(jié)果表明，對于CF和GF打印的樣品，非平面切片打印的樣品在彎曲承載能力方面明顯優(yōu)于平面切片打印的樣品。NPS-CF樣品的最大彎曲力（2.56 kN）是PS-CF樣品（0.92 kN）的2.7倍，NPS-GF樣品（1.85 kN）是PS-GF樣品（0.35 kN）的5.3倍。這充分證明了NPS方法在提升曲面結(jié)構(gòu)彎曲性能方面的顯著優(yōu)勢。特別是，采用半CF和半GF打印的非平面切片樣品的最大彎曲力顯示出正向的混合效應(yīng)，超過了按復(fù)合材料混合規(guī)則計(jì)算的加權(quán)值（2.20 kN）。NPS(CF-GF)樣品的最大彎曲力（2.45 kN）與NPS-CF樣品相當(dāng)，而NPS(GF-CF)樣品的最大彎曲力（3.43 kN）比NPS-CF樣品高出34%以上?；谶B續(xù)纖維相較于短纖維的優(yōu)異力學(xué)性能，本實(shí)驗(yàn)中觀察到的樣品最大彎曲力是由短CF增強(qiáng)PLA復(fù)合材料制成的曲面樣品（1.10 kN）的2-3倍。然而，與各自材料的平面切片打印件相比，曲面切片打印件在性能上的提升效果（2-3倍）是相似的。

圖5展示了采用PS和NPS方法打印的樣品的彎曲失效形貌。可以觀察到，NPS打印樣品的彎曲失效位置位于平面-曲面連接處而非加載位置（圖5(a1)和5(b1)），這是由于該區(qū)域的層間結(jié)合面積最小，導(dǎo)致分層為失效模式（圖5(a2)和5(b2)），使樣品過早失效，無法發(fā)揮連續(xù)纖維的承載作用。相比之下，NPS打印的樣品表現(xiàn)出加載位置的失效區(qū)域，盡管在加載過程中上端可能因擠壓而發(fā)生分層，但最終的失效模式為沿載荷方向的斷裂（圖5(c2)和5(d2)）。值得注意的是，如圖4(e)所示，與NPS-CF樣品不同，NPS-GF樣品的力-位移曲線在達(dá)到峰值后逐漸上升至最大失效彎曲力。這歸因于GF具有優(yōu)異的韌性和較大的失效應(yīng)變，導(dǎo)致層間剪切為主要失效機(jī)制，直到下端的GF在拉伸應(yīng)力作用下最終斷裂，導(dǎo)致完全失效。

圖5. 采用單纖維打印的失效試樣的實(shí)物圖及其側(cè)面形貌：(a1, a2) PS-CF 試樣，(b1, b2) PS-GF 試樣，(c1, c2) NPS-CF 試樣和 (d1, d2) NPS-GF 試樣。

圖6顯示了使用混合碳/玻璃纖維復(fù)合材料制造的兩個NPS試樣的彎曲失效形貌。NPS(CF-GF) 試樣的側(cè)面形貌顯示，由于壓縮作用，靠近加載位置的GF層發(fā)生分層失效，而遠(yuǎn)離加載位置的CF層發(fā)生斷裂失效（圖6(a2)）。當(dāng)試樣接近水平位置加載時，NPS(CF-GF) 試樣的CF層完全斷裂（圖6(a3)）。該試樣的力-位移曲線與NPS-CF試樣相似，最終在達(dá)到NPS-CF試樣失效位移位置時發(fā)生失效（圖4(e)）。相比之下，NPS(GF-CF) 試樣的側(cè)面形貌顯示CF層發(fā)生多次壓縮斷裂（圖6(b2)）。在CF層首次壓縮斷裂時，具有較高失效應(yīng)變的GF層尚未斷裂（圖6(b3)），并且壓縮的CF層繼續(xù)承載，直到GF層完全斷裂，導(dǎo)致試樣完全失效（圖6(b2)）。這一過程與圖4(e)中NPS(GF-CF)試樣的力-位移曲線一致。當(dāng)NPS(GF-CF)試樣達(dá)到接近其最大彎曲力的首次峰值時，遠(yuǎn)離加載位置的GF層未斷裂，整個試樣繼續(xù)承載，直到GF層失效。由此可見，通過合理的混合纖維配置，可以顯著提高曲面試樣的彎曲抗力。

圖6. 混合纖維打印的失效試樣的實(shí)物圖、側(cè)面形貌及彎曲測試現(xiàn)場圖：(a1, a2 和 a3) NPS(CF-GF) 試樣，(b1, b2 和 b3) NPS(GF-CF) 試樣。

在進(jìn)行彎曲測試之前，分別對使用單一CF和GF打印的NPS和PS試樣的表面形貌進(jìn)行了檢查。圖7(a)顯示了區(qū)域1（平面與曲面的交界處）和區(qū)域2（曲面最高點(diǎn)附近），這兩個區(qū)域被選作表面形貌觀察和表面粗糙度測量的部位。NPS和PS試樣的表面粗糙度結(jié)果如圖7(b)所示。顯然，無論使用何種纖維，NPS試樣的表面粗糙度明顯低于PS試樣。NPS-CF樣品的表面粗糙度為22.8 μm，約為PS-CF樣品（62.0 μm）的35%；而NPS-GF樣品的表面粗糙度為17.6 μm，約為PS-GF樣品（77.2 μm）的23%。通過分析四種類型樣品在選定區(qū)域的表面形貌和輪廓曲線，可以看出，PS-CF樣品的表面存在斷裂的CF，而PS-GF樣品則顯示了GF路徑的拐角。PS樣品在曲面位置顯示出不平整和階梯狀的輪廓曲線，嚴(yán)重影響其力學(xué)性能。相反，纖維沿表面輪廓鋪設(shè)的NPS樣品表面更平滑，輪廓更加均勻，從而顯著降低了表面粗糙度。

圖7. (a) 表面形貌觀察區(qū)域，(b) NPS和PS樣品的表面粗糙度結(jié)果，以及四種樣品的實(shí)物圖和三維表面形貌：(c) NPS-CF樣品，(d) PS-CF樣品，(e) NPS-GF樣品，(f) PS-GF樣品。

綜上所述，與平面切片方法相比，沿表面輪廓進(jìn)行非平面切片（NPS）方法在彎曲性能和表面精度方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。特別是，通過適當(dāng)?shù)幕旌侠w維配置，NPS方法有望進(jìn)一步提升曲面試樣的彎曲性能。值得注意的是，本實(shí)驗(yàn)所選取的曲面試樣是參考現(xiàn)有文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的，具有一定的特殊性。因此，強(qiáng)度和表面粗糙度的改善效果可能不完全適用于其他形狀的曲面部件。

上述結(jié)果表明，基于三軸打印機(jī)的非平面打印方法能夠提升曲面部件的抗彎性能和表面精度。然而，前述單一弧形試樣的表面形狀相對簡單，切片層中的纖維排列單一。而在許多情況下，曲面部件具有更復(fù)雜的表面輪廓和纖維排列設(shè)置。此外，為減輕重量或滿足某些特定要求，采用多孔結(jié)構(gòu)是曲面復(fù)合材料部件中的常見做法。因此，為驗(yàn)證該方法在復(fù)雜曲面和多孔結(jié)構(gòu)成形中的可行性，設(shè)計(jì)了兩種典型部件并進(jìn)行了非平面增材制造：雙正弦曲面結(jié)構(gòu)和曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。雙正弦曲面部件的表面由兩個正弦曲線形成，切片層結(jié)合了不同類型和方向的連續(xù)纖維。曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)部件具有球形表面，切片層填充為網(wǎng)格狀。圖8(a和b)展示了雙正弦曲面部件的尺寸圖和實(shí)物圖，樣品厚度為2 mm。根據(jù)表1的打印參數(shù)，層厚度為0.125 mm，雙正弦曲面部件的分層方法為[90C/0C/90G/0G]。圖8(c)顯示了混合纖維復(fù)合材料制成的雙正弦曲面部件的實(shí)物圖和每層的打印流程，強(qiáng)調(diào)了在每層打印中對纖維類型、方向和填充密度的可調(diào)性。

圖8. (a) 三維尺寸圖，(b) 實(shí)際打印樣品，(c) 雙正弦曲面部件的纖維布局及打印流程。

圖9. (a)展示了曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的打印過程。整個部件是一個半徑為800 mm的曲面面板，其中央?yún)^(qū)域具有通孔。每個曲面層被分為密集填充部分和網(wǎng)格部分。圖9(a)詳細(xì)描述了打印過程，而圖9(b)則顯示了打印的曲面網(wǎng)格的實(shí)物圖?？椎谋诤窈统叽缈梢栽谝?guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。此外，通過非平面路徑規(guī)劃，還可以形成其他如六面體等曲面多孔結(jié)構(gòu)。

圖9. (a) 曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的打印流程，(b) 曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的實(shí)物圖。

上述結(jié)果展示了該方法在曲面面板零件中的制造能力和優(yōu)勢，預(yù)期可應(yīng)用于設(shè)備外殼的制造，如無人機(jī)機(jī)身等。本研究中設(shè)計(jì)和打印的所有部件均為等厚度，切片層通過提取曲面零件的表面陣列生成。然而，這種方法限制了制造非等厚度曲面部件的潛力。未來的研究將集中于改進(jìn)切片層的劃分方法，以適應(yīng)上下表面具有不同曲面形狀的非等厚度部件，從而釋放非平面增材制造（AM）在連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的全部潛力。

本研究探討了不同切片打印方法和材料配置對曲面打印件彎曲性能和表面形貌的影響。設(shè)計(jì)并非平面增材制造了兩種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步驗(yàn)證了所提出方法的適用性?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：

(1)沉積傾斜角的影響：打印樣品的沉積傾斜角增加會導(dǎo)致表面精度降低。當(dāng)傾斜角為20°時，由于纖維噴嘴對纖維的熱壓不足，會導(dǎo)致纖維路徑出現(xiàn)空隙，大幅增加表面粗糙度，同時也會降低路徑間的粘結(jié)性能及部件性能。與15°傾斜表面相比，在20°傾斜表面上打印的0°和90°纖維布置的表面粗糙度分別增加了70%和120%。盡管優(yōu)化纖維打印頭噴嘴結(jié)構(gòu)和提高提升行程可以解決打印干擾問題，但保持沉積傾斜角低于15°對于確保打印質(zhì)量至關(guān)重要。

(2)NPS方法的優(yōu)越性：使用連續(xù)CF和GF的NPS方法打印的曲面樣品在彎曲性能和表面精度方面優(yōu)于傳統(tǒng)PS方法。以NPS-CF樣品為例，其最大彎曲力較PS-CF樣品提高了170%，表面粗糙度降低了63%。特別是，NPS(CF-GF)和NPS(GF-CF)樣品的最大彎曲力顯示出正向的混合效應(yīng)，NPS(GF-CF)樣品的最大彎曲力比NPS-CF樣品高出34%。

(3)復(fù)雜結(jié)構(gòu)打?。撼晒υO(shè)計(jì)并制造了雙正弦曲面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了各種類型和方向的連續(xù)纖維布置。此外，利用曲面切片層中的多孔路徑規(guī)劃，設(shè)計(jì)并制造了球形網(wǎng)格連續(xù)纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)。這些打印案例表明NPS方法在復(fù)雜曲面和曲面多孔結(jié)構(gòu)方面具有優(yōu)于傳統(tǒng)PS方法的成形能力，結(jié)果驗(yàn)證了該方法在連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造中的廣泛適用性。

Shouling Ding, Bin Zou, Qingyang Liu, Xinfeng Wang, Jikai Liu, Lei Li, Non-planar additive manufacturing of pre-impregnated continuous fiber reinforced composites using a three-axis printer, Journal of Materials Research and Technology, Volume 32, 2024, Pages 4410-4419, ISSN 2238-7854, https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.09.032.