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连续纤维增强热塑性复合材料（Continuous Fiber-Reinforced Thermoplastic Composites；CFRTPCs）的3D打印技术因轻量化、高比强度等优势在航空航天领域备受关注。然而，打印过程中残余应力导致的变形问题长期阻碍其工程化应用。现有研究存在三大局限：一是缺乏对预浸丝微观温度梯度的原位测量；二是忽略打印力场（压力/张力）对残余应力的影响；三是单尺度建模方法难以同时精确模拟挤出过程温度场与打印过程应力场。这些问题导致变形预测误差高达20%，严重制约高精度制造。
为解决上述挑战，北京航空航天大学研究团队提出多尺度工艺建模方法。创新点之一在于开发了温度敏感预浸丝：在日本东丽T800H碳纤维与PA6尼龙复合过程中植入直径100μm的超细热电偶，实现从挤出到冷却的全生命周期微区温度追踪。图4(b)显示，热电偶ii精准捕获丝材中心温度变化，而传统模型对此完全忽略。论文标题为”Process modeling and deformation prediction of 3D printed continuousfiber-reinforced composites based on in-situ micro-scale measuring”。
研究人员搭建了原位力场监测平台，通过薄膜压力传感器（DP9-40）与力传感器（JLBS-M2）同步采集层厚相关的压力/张力数据。基于实测数据，建立挤出-打印耦合模型：先通过CT扫描重建喷嘴内丝材几何构型，模拟挤出过程瞬态温度场；再结合”单元生死”技术动态加载温度、压力、张力边界条件，预测打印件残余应力与变形。
实验验证表明，该模型显著提升预测精度。关键数据对比包括：
通过该模型量化了工艺参数的影响机制：提高打印温度会增大温度梯度，而优化材料导热性可有效抑制梯度；层厚变化虽对温度梯度影响微弱，但会显著降低打印张力与压力。该模型已应用于单层结构工艺优化，例如通过调节喷嘴温度场分布，成功减少残余应力生成。研究团队指出，该方法可扩展至多层复杂结构，未来将结合机器学习解决计算效率问题。
研究首次通过嵌入式热电偶实现了预浸丝微观区域全生命周期温度场原位表征，揭示了喷嘴-丝材接触区为主热影响区；建立的挤出-打印多尺度耦合模型将变形预测误差控制在5%以内；量化了材料导热性、打印温度等参数对温度梯度及残余应力的影响规律，为高精度3D打印连续纤维增强热塑性复合材料提供了理论支撑与低成本优化路径。
图1. 3D打印过程数据测量与模拟方法流程图
图2. 温敏预浸丝制备过程：(a)制备示意图，(b)树脂浸渍过程，(c)设备主要部件与温敏预浸丝截面
图3. (a)原位打印温度测量示意图，(b)原位打印力场监测平台示意图
图4. (a)温敏预浸丝截面，(b)温度测点分布，(c)打印过程温度数据
图5. (a)喷嘴内纤维取向表征方法，(b)表征与三维重建结果
图6. 挤出过程有限元模型：(a)整体模型，(b)喷嘴接触预浸丝局部剖面，(c)预浸丝主热影响区，(d)有限元模型空间位置与实验测点对应关系
图7. (a)挤出过程静态模拟，(b)打印过程动态模拟，(c)不同等温截面高斯曲面拟合
图8. 力场测量系统数据：(a)打印张力，(b)打印压力
图9. (a)打印结束时的内部残余应力，(b)脱离基板后的应力释放结果，(c)脱离基板后的Z向位移
原始文献：
Ouyang S, Li D, Zhu W, et al. Process modeling and deformation prediction of 3D printed continuous fiber-reinforced composites based on in-situ micro-scale measuring[J]. Composites Science and Technology, 2025, 267: 111209.
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