本文的主要作者包括Md Habib Ullah Khan, Md Mohaiminul Islam, Kaiyue Deng, Ismail Mujtaba Khan, Ling Liu和Kelvin Fu，作者分别来自美国特拉华大学机械工程系和复合材料中心，以及天普大学机械工程系。文章发表于期刊 Composites Part A，标题为“Additive fiber tethering for 3D architected continuous fiber composites”，在线发表时间为2025年1月31日，文章DOI为10.1016/j.compositesa.2025.108763。
该研究聚焦于复合材料制造领域，尤其是针对三维连续纤维复合材料的设计与制造。传统复合材料制造工艺如树脂传递模塑（RTM）和手工铺层等，虽然能够实现强度优异的零件，但其设计灵活性受到限制，特别是在处理复杂几何形状和纤维取向方面，还存在显著的局限性。此外，这些方法过度依赖复杂模具，生产效率低下且成本高昂。
近年来，增材制造（additive manufacturing, AM）技术展现了在制造复杂零部件方面的潜力，但目前的层层堆积技术不适合连续纤维复合材料生产，因为其造成的机械性能各向异性限制了复合材料的应用。为了弥补这些不足，该研究提出了一种创新性技术——增材纤维系结技术（Additive Fiber Tethering, AFT），可用于制造三维拓扑优化的连续纤维复合材料结构。
研究的目标是开发一种基于拓扑优化的制造工艺，突破传统复合材料制造技术的局限，生产能够显著减重同时具备卓越机械性能的零件，广泛应用于航空航天、汽车和能源领域。
本研究提出了一个完整的制造与验证流程，具体包括以下几个阶段：
本研究首先采用ABS材料通过高分辨率3D打印制造出拓扑优化好的支架结构。支架兼具几何稳定性和纤维引导功能，同时带有精心布置的锚点用于固定连续纤维。支架材料为高填充率热稳定ABS，可抵抗纤维施加的张力和热固化压力。
创新性地将改进的Hierholzer算法（一种基于图论的路径规划算法）应用于纤维铺设路径规划。研究对象为一个基于面心立方（FCC）与体心立方（BCC）晶格结构的拓扑设计，这些设计具有良好的强重比和载荷转移能力。使用一个六轴机器人搭载后端执行器完成优化路径的连续纤维铺设，同时在铺设过程中结合原位树脂浸渍模块以确保均匀的浸渍质量。
研究对AFT制备的复合材料梁进行多种实验，包括拉伸测试（ASTM D3039）、压缩测试（ASTM D6641）和三点弯曲测试（ASTM D790），以获取材料在不同载荷条件下的性能数据。机械测试以Instron 5567测试设备进行，实验采样率和测试速率严格按照ASTM标准执行。
使用SkyScan 1172微CT对复合材料进行三维重建，从所得影像中分析纤维体积分数和孔隙率，并借助ImageJ软件进行纤维方向性分析。通过傅里叶变换方法量化纤维方向分布，以验证AFT技术的铺设精度。
建立有限元模型，模拟抗弯和抗压性能，采用基于差分进化的优化方法（Differential Evolution, DE）调整梁元件厚度和晶格单元尺寸以优化比能量吸收值（SEA）。仿真采用LS-DYNA软件完成，以实际负载条件评估结构的碰撞性能，并在真实实验中验证仿真结果的准确性。
在弯曲测试中，AFT制备的汽车B柱样件表现出优异的抗弯性能，其比能量吸收值（SEA）达到391.3 J/kg，显著优于传统复合材料B柱与金属B柱。在压缩测试中，获得的SEA高达10213.43 J/kg，远超大多数文献报道的传统B柱性能。
微CT分析显示，纤维方向性与铺设方向一致性达到97%，孔隙率仅为1.39%，表明AFT工艺在优化纤维对准和减少缺陷方面表现优秀。
仿真验证实验表明，模型能够以97.21%的精度预测比能量吸收值（SEA）。通过拓扑优化，B柱零件实现了60%的重量减轻，同时其结构完整性未受到影响。
作为附加展示，本研究还设计制造了一个简单的轻量化自行车车架，展示AFT技术在拓扑优化和构造复杂三维连续纤维复合结构方面的广泛适用性。
本研究通过开发增材纤维系结技术（AFT），在连续纤维复合材料的三维制造领域取得了重要突破。一方面，该技术显著提高了材料设计的灵活性与制造效率，另一方面，其制造的复合材料结构在抗弯性能、抗压性能及能量吸收效率方面表现卓越，使得其在航空航天、汽车和能源行业具有巨大的应用潜力。
具体而言，AFT技术： 1. 克服了传统复合材料制造技术的设计自由度限制； 2. 通过自动化铺设与锚点引导，显著减小了材料浪费和人工成本； 3. 提高了结构性能与重量优化能力，提供可持续性制造方案。