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近年来,碳纤维及其复合材料由于轻质高强、可导电、耐高温、抗疲劳、易加工等一系列优点在多个工业领域得到了广泛的应用。作为一种新型的电工材料,碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP,Carbon Fiber Reinforced Polymer)在风力发电、电动汽车、输电线缆、雷达等方面的需求迅速增长,未来仍具有很强的上升潜力。将三维打印技术应用于碳纤维复合材料可实现复合材料结构件的快速制造,并在复杂结构成型和降低制造成本方面表现出很大的优势。本课题基于熔融沉积成型法(FDM,Fused Deposition Modeling)对碳纤维复合材料的三维打印技术展开了探索研究,为了保证复合材料中纤维/树脂的结合性和成型件的力电性能,对连续CFRP构件混合打印工艺进行了仿真、设计和测试,并研发了三维打印成型的机电系统,实现了复合材料构件的快速打印和性能提升。本文取得的主要成果和创新点如下:(1)研究了碳纤维复合材料的3D打印成型机理和力电特性。通过对纤维/树脂挤出过程中的界面应力和黏附功分析,揭示了碳纤维复合材料的3D打印成型机理。从微观的角度研究了碳纤维复合材料的力学和电学特性,建立了打印参数与拉伸强度和电阻率的关系模型;(2)提出了基于同步改性浸渍的复合打印成型工艺。利用流体有限元仿真软件,建立了喷头的三维模型,对CFRP制备过程中的流体特性进行了数值仿真,得到了纤维/树脂在流过喷头时内部流场及温度和压力场分布。在此基础上提出了一种基于同步改性浸渍的FDM打印工艺,可以有效提高纤维/树脂的结合性和打印效率。(3)设计实现了连续CFRP构件的三维打印装置机电系统。为了实现复合材料的3D打印,研发了在线实时混合喷头和机械传动机构,并以ATmega2560芯片作为核心处理器设计了软硬件和控制系统,包括电源、通讯模块以及运动和温度控制系统等,为碳纤维复合材料构件的成型与测试提供了实验平台。(4)进行了复合材料打印的连续路径规划设计和工艺验证。根据复合材料中纤维的连续性和FDM工艺特点,系统地研究了适用于连续CFRP的“一笔画”路径规划方法并进行了软件代码开发,包括“长蛇形”、“环环相扣形”和复杂桁架接头结构的打印路径规划。以同步改性浸渍三维打印设备为实验平台,进行了不同参数下CFRP构件的打印实验,验证了本文提出的连续CFRP构件3D打印技术的优越性。