连续纤维增强复合材料增材制造预测建模研究进展

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32311

材料工程与机械制造

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连续纤维增强复合材料增材制造预测建模研究进展

韩智¹^,², 王玉思¹^,², 张文瑶¹^,², 李冰³^,⁴, 陈园¹^,²^,³()

^1.南方科技大学深圳市连续纤维复合材料智能制造重点实验室，深圳 518055
^2.南方科技大学自动化与智能制造学院，深圳 518055
^3.强度与结构完整性全国重点实验室，西安 710072
^4.西北工业大学航空学院，西安 710072

收稿日期:2025-05-27 修回日期:2025-06-18 接受日期:2025-07-21 出版日期:2025-07-31 发布日期:2025-07-30
通讯作者: 陈园 E-mail:chenyuan@sustech.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12302177);强度与结构完整性全国重点实验室开放基金(LSSIKFJJ202401012);广东省自然科学基金(2024A1515010203);广东省普通高校重点领域专项（高端装备制造）(2023ZDZX2025);广东省人才计划(0202202300047);深圳市自然科学基金(JCYJ20230807093602005);深圳市连续碳纤维复合材料智能制造重点实验室(ZDSYS20220527171404011)

Progress in modeling of additive manufacturing for continuous fiber-reinforced composites

Zhi HAN¹^,², Yusi WANG¹^,², Wenyao ZHANG¹^,², Bing LI³^,⁴, Yuan CHEN¹^,²^,³()

^1.Shenzhen Key Laboratory of Intelligent Manufacturing for Continuous Carbon Fiber Reinforced Composites，Southern University of Science and Technology，Shenzhen 518055，China
^2.School of Automation and Intelligent Manufacturing （AiM），Southern University of Science and Technology，Shenzhen 518055，China
^3.National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity，Xi’an 710072，China
^4.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2025-05-27 Revised:2025-06-18 Accepted:2025-07-21 Online:2025-07-31 Published:2025-07-30
Contact: Yuan CHEN E-mail:chenyuan@sustech.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12302177);Open Fund of National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity(LSSIKFJJ202401012);Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2024A1515010203);Guangdong University Key-Area Special Program(2023ZDZX2025);Guangdong Provincial Talent Program(0202202300047);Shenzhen Science and Technology Program(JCYJ20230807093602005);Shenzhen Key Laboratory of Intelligent Manufacturing for Continuous Carbon Fibre Reinforced Composites(ZDSYS20220527171404011)

摘要/Abstract

摘要：

连续纤维增强复合材料（CFRC）以其优异的力学性能而被广泛应用于航空航天、轨道交通等高端装备领域。近年来，增材制造（即3D打印）技术突破了传统制造工艺对模具需求的束缚而逐步成为CFRC制造的主要手段之一。综述系统总结了CFRC增材制造预测建模的最新研究进展，全面归纳了从增材制造成型过程到3D打印结构力学建模的主要技术发展路径。在CFRC增材制造成型建模方面，介绍了CFRC的树脂流动与浸润行为、热传导机理、残余应力演变及纤维错位控制等方面的研究成果；在3D打印CFRC结构力学建模方面，分别从微观、介观和宏观尺度阐述了主流的建模方法及应用场景，并探讨了多尺度建模方法及其发展潜力。最后，针对当前CFRC增材制造预测建模中存在的关键问题，系统探讨了现今主要挑战和未来发展方向，为高性能CFRC增材制造的科学研究和工程应用提供了理论指导和技术参考。

关键词: 连续纤维增强复合材料, 增材制造, 力学建模, 熔丝制造, 成型过程

Abstract:

Continuous Fiber Reinforced Composites （CFRCs） are extensively employed in advanced industries such as aerospace and rail transit， owing to their superior mechanical properties. In recent years， additive manufacturing （3D printing） has emerged as a primary method for fabricating CFRCs， eliminating the limitations of traditional manufacturing processes that rely on molds. This review provides a comprehensive overview of the latest advancements in predictive modeling of CFRCs additive manufacturing， covering the entire technological development pathway from process modeling to structural mechanics modeling of 3D printed CFRCs. The section on process modeling of CFRCs additive manufacturing explores key aspects such as resin flow and infiltration behavior， heat transfer mechanisms， residual stress evolution， and fiber misalignment control. The subsequent section on structural mechanics modeling of 3D printed CFRCs presents mainstream modeling approaches at the micro， meso， and macro scales， highlighting their application scenarios. It also examines the potential of multiscale modeling techniques， which bridge these different scales to enhance predictive accuracy. Finally， this review systematically identifies the major challenges currently faced in predictive modeling of CFRCs additive manufacturing and outlines future research directions. These insights provide theoretical guidance and technical support for advancing the scientific understanding and practical application of high-performance CFRCs in additive manufacturing.

Key words: continuous fiber reinforced composites, additive manufacturing, mechanics modeling, fused filament fabrication, manufacturing processes

中图分类号:

V258

韩智, 王玉思, 张文瑶, 李冰, 陈园. 连续纤维增强复合材料增材制造预测建模研究进展[J]. 航空学报, 2026, 47(5): 432311.

Zhi HAN, Yusi WANG, Wenyao ZHANG, Bing LI, Yuan CHEN. Progress in modeling of additive manufacturing for continuous fiber-reinforced composites[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(5): 432311.

图/表 19

图 1

图 2

图 3

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图 7

图 8

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图 10

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图 14

图 15

图 16

表1

表2

3D打印CFRC结构力学建模方法优劣势与具体案例分析

建模方法	优势	不足	具体案例数据
微观尺度建模	能够清晰展示纤维与树脂之间的力学特性及界面性能，揭示纤维和树脂的相互作用	难以直接应用于宏观结构的整体性能预测	与圆形纤维单胞模型相比，齿轮形纤维模型在横向拉伸方向上表现出更高的强度。这一增强主要归因于其复杂的截面几何形状，使应力在纤维与基体界面上呈交错分布，有效延缓了界面损伤的萌生与扩展过程，从而提升了整体承载能力^［39］
介观尺度建模	能够获得3D打印纤维增强复合材料的整体结构特征，如内部缺陷和表面形状	界面及局部破坏机理展示不够精细，且难以完全预测宏观力学表现	引入弯曲丝束后，结构的纵向压缩破坏强度显著降低。弯曲丝束试样的破坏主要发生在弯曲丝束与规则丝束接触区域的界面截面，表明该区域为结构的应力集中与失效起始位置^［69］
均质化建模（宏观）	能够快速预测纤维增强效果和宏观力学性能，适用于相对简单的3D打印复合材料结构	无法反映纤维在局部的取向、分布等细节	除结构变形外，该模型还能模拟3D打印复合材料中常见的损伤形式（如层间分层）。此外，仿真预测的吸能和压溃力效率与试验结果的相对误差分别为8.23%和5.08%，表明模型在损伤响应预测方面具有良好的准确性^［80］
路径相关建模（宏观）	能够精确模拟纤维铺放路径对复合材料性能的影响，适用于复杂形状的3D打印复合材料结构	当纤维路径和材料分布较为复杂时，建模和时间成本增加	在压缩载荷作用下，米塞斯应力主要集中于沿纤维路径排布的区域，尤其是在垂直于加载方向的纤维区域中表现得更为显著。这表明纤维路径的几何排列对局部应力分布具有重要影响，最终通过试验结果与路径相关建模和均质化建模发现，最终路径相关建模的刚度、峰值力还有吸收能量的精度相对均质化建模来说分别提高了15.8%，0.4%和2.6%^［33］
多尺度耦合建模	通过从微观到宏观的多尺度结合，可更全面地分析纤维-树脂相互作用和失效机理	参数众多，标定成本高	在微观尺度上，RVE识别纤维增强打印丝束的均匀化弹性性能；在细观尺度上，利用该均匀化特性表征打印丝束行为，并进一步分析孔隙对性能的影响；在宏观尺度上，则基于细观数据确定整体结构的弹性响应。最终所预测的结构强度和弹性模量与试验结果的相对误差分别为3.55%和1.54%，表明所构建的多尺度建模方法具有较高的准确性和可靠性^{［31，48］}

表2

表3

FFF制造成型过程建模方法优劣势与具体案例分析

建模方法	优势	不足	具体案例数据
热力耦合建模	能够预测3D打印过程或冷却阶段残余应力导致的翘曲变形，从而通过优化打印参数调控打印过程的温度场	模型复杂度高，且对材料参数依赖较大，材料参数随温度的非线性变化往往难以准确建模	以下为部分常见半结晶聚合物在翘曲试验与仿真对比中的误差范围：聚丙烯（PP）为2.5%~5.8%^［34］，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）为12.2%~23.5%^［44］，聚乳酸（PLA）为6%~8%^［28］。这些结果表明，即使在标准材料体系下，试验与仿真之间仍存在一定程度的误差，强调了模型校准的重要性
多物理场耦合建模	综合考虑材料结晶动力学、相变、应力场以及其他物理场的影响，对于半结晶聚合物在FFF等工艺中的形态演化和最终性能具有更强的指导意义	难以获取所有所需的多物理场参数	打印丝束之间的距离增大，相邻打印丝束的粘结面积变小，碳纤维未被树脂浸润的面积增大，模型Ⅱ的未浸润面积和纤维体积分数分别降低了2.68%和0.8%^［48］
流变及浸润过程建模	研究树脂在连续纤维增强复合材料中的流动和浸润特性，能更好地揭示打印过程中材料融合、浸润和界面结合的机理	当纤维排布复杂时，计算或模型简化的难度较高	预测的浸渍率随各工艺参数增加的趋势与试验结果一致，除了在最低打印速度（4 mm·s^-1）下得到的结果外，试验结果与预测值的相对误差平均值均小于10%^{［29，51］}
流固耦合建模	适用于模拟树脂流动以及纤维与树脂间的相互作用	仅适用于局部区域的小尺度分析	短纤维增强ABS在流动中呈现取向差异：流道中部纤维保持流动方向；接触打印床后纤维取向偏离；对于连续纤维增强尼龙：树脂挤出时形成双向分裂流，纤维被推向喷嘴内壁。打印头移动导致树脂速度左快右慢^［30］

表3

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连续纤维增强复合材料增材制造预测建模研究进展

Progress in modeling of additive manufacturing for continuous fiber-reinforced composites

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