河北工大+RMIT+清华+同济：基于挤出工艺的增材制造全局连续路径规划新方法

                               复合材料力学                                    

专注于复合材料力学领域的知识创作与分享！

661篇原创内容                        

公众号

连续长丝制造、混凝土3D打印等基于挤压的增材制造，具有可生成复杂几何形状的灵活性，这些技术已广泛应用于原型样机、建筑、仿生结构等制造。该技术是一个关于材料、打印精度、支撑优化、应力状态的多目标优化过程，沉积材料的打印路径策略是其中需要考虑的关键因素。

3D打印路径填充方案一般可分为三类：轮廓平行路径、定向平行路径和其他空间填充曲线。对于基于挤压的增材制造，过渡线通常在喷嘴移动过程中出现，材料挤出量的不确定性将出现在下一个刀具路径的开始处。为了搜索最短的行程，通常采用旅行商问题、蚁群优化算法和遗传算法来优化打印路径，但这些算法依然避免不了断点问题的存在。对于线材制造，路径开始时材料熔化不足会导致内部缺陷。此外，对于添加了连续增强纤维的熔融沉积打印，还需要有自动剪切装置。对于一般的改装打印机，很难实现自动化，喷嘴需要经常抬起，等待手动剪裁断点处的连续纤维，然后才能沉积下一个细丝。商用打印机（如Markforged和Anisoprint）通常会在喷嘴上方安装剪切装置。然而，当纤维长度小于剪切装置和喷嘴出口的距离时，这类装置是无法准确切割纤维的。此外，频繁剪裁对打印过程也没有益处。基于上述缺陷，最佳解决方案是通过全局连接的刀具路径来填充区域，以最小化断点或者消除路径沿线的断点。

课程推荐

【7月底】第2期复合材料固化仿真分析培训！

此外，作为定向平行路径之一，锯齿形路径是一种常见的填充模式，简单且易于实现。然而，路径中会存在尖角，影响制造精度。喷嘴运动不可避免的减速和加速，当用连续的纤维打印混凝土时，由于纤维的刚度不同以及浆料和纤维之间的界面结合较弱，纤维容易在尖角处从基体材料中拉出。只有在打印低曲率填充曲线时才会呈现比较好的效果。

由锯齿形路径和轮廓路径组成的混合路径是基于挤压的增材制造中应用最广泛的打印策略。近期，河北工大、皇家墨尔本理工、清华、同济的研究人员提出了一种新的路径方规划案来连续填充连接的几何图形，论文标题为“Globally continuous hybrid path for extrusion-based additive manufacturing”。

该项研究的创新之处在于： 

（1）实现了混合路径的全局连续性，旨在消除路径断点带来的负面影响。

（2）采用全局连续路径的部分填充策略，节省打印材料和时间费用。

（3）提出了一种填缝方法，将宽度小于喷嘴直径的打印空隙牢固地填充。 

（4）开发了一种自适应曲率优化策略来缓解尖角导致的速度减速。

（5）全局连续混合路径 (GCHP) 打印的样品比之前的连续路径打印的样品具有更高的力学性能和制造质量。

文章详细解释了全局连续混合路径 (GCHP)  的方法，包括路径连续性、间隙填充和曲率优化，介绍了由 GCHP 填充的可变复杂度形状和相应的计算费用。在填充率、打印质量、制造费用和机械性能方面对可变路径进行了比较。

以下是文章中的部分美图赏析，

图 1  单层不连续混合路径生成示意图

图 2 局部连续性示意图

图 3 全局连续性示意图

图 4 间隙填充示意图：(a) 底部填充间隙；(b) 填补空白的方法；(c) 施工结果。

图5 模型打印实例

图6  使用实心填充策略的可变路径的打印结果（红色虚线表示喷嘴行进的轨迹）

图7  使用部分填充策略的 GCHP 打印结果

图8 力学测试：(a) 模型和负载条件；(b) 轮廓 (Con) 路径、CFS、锯齿形 路径和 GCHP 试样的极限承载能力对比

小结

在基于挤压的增材制造中，打印路径填充模式会直接影响打印过程。为了克服路径不连续性导致的打印缺陷，文章开发了一种全局连续的混合路径规划方法 (GCHP) 来完全填充或部分填充连接的域，实现了混合路径的全局连续性，同时还能节省打印材料和打印时间，缓解尖角导致的速度减速，连续路径打印的样品具有更高的力学性能和制造质量。该项研究为使用基于挤压的增材制造的混合路径制造奠定了基础。

参考文献：Lingwei Xia, Guowei Ma, Fang Wang, Gang Bai, Yi Min Xie, Weiguo Xu, Jianzhuang Xiao,Globally continuous hybrid path for extrusion-based additive manufacturing,Automation in Construction,Volume 137,2022,

104175.

原文链接（点击左下角“阅读原文”跳转）：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926580522000486?via%3Dihub

【前沿追踪征稿】让更多人了解你的研究工作

欢迎投稿

专注于复合材料力学领域的知识创作与分享，国内复合材料领域颇具影响力的技术交流平台之一，第一时间更新复合材料方向前沿技术，所发布的前沿资讯、仿真案例、技术方法、代码插件助力了无数学子专业素养和专业技能的提升，深受广大学生群体及青年科技工作者喜爱。“聚焦前沿，引领未来”，复合材料力学公众平台期待您的关注！

 | 原创作品 未经允许不得转载 | 

公众号首页回复以下数字可获取相应信息

【01】：历史文章 【02】：投稿指南 【03】：视频资料

【04】：材料库    【05】：技术培训 【06】：项目合作

【07】：商务合作 【08】：文章转载 【09】：加入我们

【10】：联系我们 【11】：交流群    【12】：意见建议

本文使用 文章同步助手 同步