《Composite Structures》：Bimaterial honeycomb structures additively manufactured with short carbon fiber composites: Design proposition, asymptotic homogenization and properties testing
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本研究提出了一种双相材料蜂窝结构，通过调整基体材料和短纤维增强材料的厚度比例，结合3D打印技术实现定制化力学性能。实验测试和数值模拟（渐近同质化）结果显示两者高度吻合，验证了该结构在轻量化工程中的应用潜力。
阿里安杰洛·豪尔·迪亚斯·菲尔霍（Ariangelo Hauer Dias Filho）|本杰明·德·梅洛·卡瓦略（Benjamim de Melo Carvalho）|安德鲁·科林·格利达尔（Andrew Colin Gleadall）|拉斐尔·蒂亚戈·路易斯·费雷拉（Rafael Thiago Luiz Ferreira）
意大利，航空技术学院（ITA），GPMA，增材制造研究小组，12228-900，圣何塞多斯坎波斯，圣保罗州，巴西
摘要
增材制造能够生产具有可定制机械性能的多相结构。本研究提出了一种双材料蜂窝结构的单元格模型，并进行了实验和数值测试。这些蜂窝结构是通过FFF（熔融丝材制造）工艺使用PET和PET-CF（含短碳纤维的PET）材料制成的，工具路径直接在FullControl设计软件中生成。单元格的每个梁都包含两种材料（双壁结构）。通过改变各相的厚度，可以调节复合材料的成分，从而调整其等效性能。压缩测试评估了其机械行为，而渐近均质化（AH）方法用于数值估算等效性能。基于AH方法开发的响应面可用于预测复合材料含量变化对等效性能的影响。实验结果与数值结果高度一致。本研究的主要贡献在于提出了具有可调节机械性能的蜂窝结构，并通过数值模拟和实验验证了这一设计。所提出的蜂窝结构能够在保持昂贵增强材料体积分数不变的情况下，调节其机械性能。这些发现突显了这种结构在轻量化工程应用中的潜力。
引言
增材制造，通常被称为3D打印，通过实现复杂结构的制造，改变了工程领域，这些结构在过去使用传统方法难以甚至无法生产。
对于复杂形状的设计，往往可以提高工程性能，因此其生产变得合理。例如晶格和蜂窝状周期性结构就可以实现减重，并可根据特定需求进行定制。本研究探讨了3D打印的双材料蜂窝结构。这些结构的设计、通过AH方法进行的微观力学分析以及等效性能的测试构成了本研究的核心。
双材料蜂窝结构能够在不改变密度的情况下调节机械等效性能，这是通过调整增强材料在壁层中的比例来实现的。增强材料主要添加在外壁表面，因为壁层主要承受弯曲载荷。增加增强材料可以提高弯曲惯性矩，从而增强壁的刚性。
图1展示了所研究结构的设计、微观力学分析和测试的工作流程。所研究的蜂窝结构包含两种材料相：一种热塑性塑料和一种添加了短纤维的热塑性塑料。这两种材料的刚性不同。通过改变蜂窝各相的厚度，可以产生不同的等效性能，这些变化通过AH方法和响应面进行了数值评估，并通过压缩测试进行了实验验证。
图2展示了不同的材料分布方式。这些例子说明了如何实现双壁结构。打印机将不同壁层并排沉积。G代码决定了壁层的厚度，从而赋予不同比例的材料不同的性能。
将3D打印、AH方法和性能测试结合在一个研究中，为优化双材料蜂窝结构提供了基础。在这种背景下，AH方法起到了将微观结构特性转化为宏观等效特性的桥梁作用，便于进行数值分析和模拟。本研究旨在深入理解增材制造出的蜂窝材料。研究范围包括设计、数值分析、生产、测试和等效性能的评估。
本研究探讨了3D打印双材料蜂窝结构的行为，重点关注双壁结构中并排复合相的影响。此外，通过将AH结果与实验数据对比，评估了渐近均质化（AH）方法预测机械性能的准确性。
以下是文档的章节结构：文献综述部分介绍了增材制造、材料挤出、蜂窝材料及其性能预测；方法论部分涵盖了采样、用于AH过程的Taguchi采样方法、材料表征（包括3D打印机校准以确定打印参数）、单材料表征（以便在AH软件中输入正确的材料属性）、用于机械测试的3D打印蜂窝结构的制备以及基于AH方法的响应面生成。
结果与讨论部分包括3D打印单材料的表征、3D打印的挑战与展望、蜂窝结构的压缩测试、FE网格敏感性的Tukey检验、分析方法与AH方法及压缩测试的比较，以及获得的响应面。最后，结论部分总结了研究结果并提出了未来研究的方向。
章节摘录
短纤维复合材料的增材制造
短纤维（如玻璃纤维和碳纤维）被广泛用于提高聚合物基复合材料的机械性能。最佳增强比例因材料和工艺而异：Tekinalp等人[1]观察到40 wt%的碳纤维显著提高了ABS的强度和模量，而Ning等人[2]认为5 wt%是理想比例，因为更高比例会增加孔隙率并增加挤出机喷嘴堵塞的风险。PLA + CF复合材料的杨氏模量……
单元格
所选的单元格结构允许与Gibson模型[14]中使用的经典单元格进行比较，具体采用六边形配置。与传统六边形模型不同，所选单元格的壁层包含两种材料。壁层厚度分为两个部分：基体材料和增强材料。相关变量分别为x 1 x 2
单材料表征
根据[38]的描述，进行了拉伸测试、动态力学分析（DMA）和流变学测试，以评估3D打印PET和PET-CF的机械和流变性能。流变学测试确定了最佳挤出温度（PET约为230°C，PET-CF约为270°C），这有助于材料的顺畅流动并提高打印质量。
结论
本研究证明了数值渐近均质化（AH）方法在预测双材料蜂窝结构等效机械性能方面的有效性，并将其与实验数据进行了对比。蜂窝结构采用双壁单元格设计。机械表征是通过增材制造工艺制备的蜂窝试样的压缩测试完成的。实验结果验证了Andreassen提出的AH数值工具的有效性。
CRediT作者贡献声明
阿里安杰洛·豪尔·迪亚斯·菲尔霍（Ariangelo Hauer Dias Filho）： 撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、监督、软件开发、项目管理、方法论设计、数据分析、概念化。本杰明·德·梅洛·卡瓦略（Benjamim de Melo Carvalho）： 撰写——审稿与编辑、可视化处理、验证、监督、资源协调、方法论设计、数据分析。安德鲁·科林·格利达尔（Andrew Colin Gleadall）： 撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、监督、软件开发。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了庞塔格罗萨州立大学（UEPG）的C-LABMU实验室 、高级人才培养协调委员会（CAPES） 、国家科学技术发展委员会（CNPq）[资助号140376/2024-0] 以及圣保罗州研究基金会（FAPESP）[资助号2021/11258-5 – 未来空中移动工程研究中心 - FLYMOV] 的支持。
