We present a field-based method of toolpath generation for 3D printing continuous fibre reinforced thermoplastic composites. Our method employs the strong anisotropic material property of continuous fibres by generating toolpaths along the directions of tensile stresses in the critical regions. Moreover, the density of toolpath distribution is controlled in an adaptive way proportionally to the values of stresses. Specifically, a vector field is generated from the stress tensors under given loads and processed to have better compatibility between neighboring vectors. An optimal scalar field is computed later by making its gradients approximate the vector field. After that, isocurves of the scalar field are extracted to generate the toolpaths for continuous fibre reinforcement, which are also integrated with the boundary conformal toolpaths in user selected regions. The performance of our method has been verified on a variety of models in different loading conditions. Experimental tests are conducted on specimens by 3D printing continuous carbon fibres (CCF) in a polylactic acid (PLA) matrix. Compared to reinforcement by load-independent toolpaths, the specimens fabricated by our method show up to 71.4% improvement on the mechanical strength in physical tests when using the same (or even slightly smaller) amount of continuous fibres.


翻译:我们为三维打印连续纤维加热塑料复合材料提供了一种基于实地的工具式生成方法,用于三维打印连续纤维加热的热塑性纤维。我们的方法使用连续纤维的强动动脉材料属性,在关键区域形成抗拉应力方向上形成工具式路径;此外,工具式分布的密度以适应性方式控制,与压力值成正比。具体地说,一个矢量场是由特定载荷下的应力导压强器生成的,并经过处理,使相邻矢量更加相容。一个最佳的标量场后来通过使其梯度接近矢量场进行计算。之后,通过提取星际场的等离心,生成持续纤维强化的工具式路径,这也与用户选定区域的边界兼容工具式路径相融合。我们的方法的性能已经在不同装货条件下的各种模型中进行了核查。通过3D打印连续的碳纤维(CCF)在聚酸基质基体中进行实验。与依赖负载工具体的加固度相比,以我们的方法制成的标本在微量的物理测试中,其物理强度为试度为试度的试。

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