The 7th National Conference on Computational Mechanics of Granular Materials in conjunction with The 4th International Symposium on Computational Particle Technology (CMGM-2024 & CPT-2024)

碳纤维的长度和添加量、孔隙含量显著影响着碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料的最终性能。受限于打印喷头结构，当前由熔融沉积成型（FDM）生产的CFRP复合材料存在更高的孔隙度和较低的纤维长度，急需对现有的打印喷头进行结构优化。鉴于此，本研究基于计算流体力学（CFD）方法，使用VOF多相流模型和重叠网格法对熔融混合物（包含碳纤维和尼龙6）的挤出沉积行为进行了数值模拟研究。首先通过复现实验条件下聚合物挤出沉积过程验证了仿真模型的准确性，并发现从竖直喷头挤出过程中纤维90°的朝向变化是引发纤维断裂和流场紊乱的关键。而后提出倾斜喷头并削平出口的优化方案。数值模拟结果表明，随着喷头倾斜角度的增大，挤出沉积过程中碳纤维与壁面的相互作用力逐渐降低，纤维形变量相应降低，纤维脱离壁面限制后的摆动速度降低，流场紊乱程度降低。通过倾斜喷头能够得到更高纤维长度和更低孔隙度的CFRP复合材料。最后，通过讨论工艺参数与孔隙度之间的关系，得出了最佳工艺参数和喷头倾斜角度。本文的结果可为碳纤维增强聚合物复合材料3D打印工艺的研发和打印喷头的结构优化设计提供理论支持。

熔融沉积成型,CFD-VOF模型,重叠网格,数值模拟,结构优化