增材制造公司很早就开始使用3d打印机，利用聚合物从计算机辅助设计模型中创建实体物体。所使用的材料是整齐的聚合体——对于快速原型来说是完美的，但不常用作结构材料。

新一波的增材制造使用从喷嘴挤出的聚合物复合材料作为环氧树脂，但用短的、短切的碳纤维加固。纤维使材料更坚固，很像水泥人行道上的钢筋。结果得到的物体比树脂本身要坚硬和坚固得多。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)最近的一项研究提出了这样一个问题:在挤压成型的树脂层中，碳纤维的哪一种结构或模式会产生最坚硬的材料?

约翰·兰布罗威雷特航空航天工程系的教授和高级材料测试和评价实验室主任U我被一个加法制造研究小组劳伦斯利弗莫尔国家实验室测试复合部分,他们已经使用一个直接创建墨水写作技巧。

“碳纤维很小，直径约7微米，长度约500微米，”兰布罗斯说。“用显微镜比较容易，但用肉眼肯定能看到一个包裹。纤维大多排列在挤压树脂中，就像胶水一样把纤维固定在适当的位置。Lawrence Livermore小组提供了这些部件，这些部件有几种不同的配置，其中一个没有嵌入任何光纤作为对照。其中一个部件已经在理论上进行了最大刚度的优化，但研究小组希望得到优化过程的最终实验结果。”

兰布罗斯说，在等待实际的可加性制造的复合样品时，兰布罗斯和他的学生用有机玻璃制作了他们自己的“假人”样品，这样就可以开始测试假人了。

在这种情况下，被测试的形状是一个u形接头-一个小的，椭圆形的板，有两个孔用来连接另外两个表面。对于每个不同的样品形状，Lambros的实验室必须创建一个独特的加载夹具来测试它。

兰布罗斯说:“我们设计了支架、握把和其他一切东西，包括如何刷漆、摄像机如何记录测试等等。”“当我们拿到真正的样品时，它们的形状并不完全一样。厚度和我们的有机玻璃有点不同，所以我们做了新的垫片，最后算出来了。从机械方面来说，我们必须非常谨慎。使用精度是必要的，这样才能确保最终对可添加性制造部件的认证是正确的。”

“我们创建了一个实验框架来验证短纤维增强复合材料的最佳模式，”Lambros说。“当加载机对u形板进行拉伸时，我们使用数字图像相关技术来测量每个样本表面的位移场，通过跟踪作为样本变形的一系列数字图像的像素强度值来跟踪运动。随机散斑模式应用于样本表面，以一种独特的方式识别数字图像的子集，以便在变形过程中跟踪它们。”

他们测试了一个对照样品和四种不同的配置，其中一种被认为是针对刚度进行了优化，它的纤维图案是波浪状的，而不是水平或垂直方向的。

“每个样品的u形钩连接板有12层。优化后的硅碳棒有弯曲的沉积线和沉积线之间的缝隙，”Lambros说。根据利弗莫尔集团的预测，缺口是设计好的，因为你不需要更多的材料来提供最佳的刚度。这就是我们所测试的。我们将加载销穿过孔，然后将每个样品拉到断裂点，记录载荷和位移。

“他们预测的最佳配置，确实是最佳的。最不理想的是对照样品，它只是树脂——正如你所预料的那样，因为里面没有纤维。”

Lambros说，在分析中有一个前提，那就是这是一个全局最优，也就是说，这是为刚度而构建的最佳样本，没有其他构建模式比这个更好。

“当然我们只测试了四个配置,它看起来像优化配置可能是绝对最好的做法,因为最常见的配置用于设计,如0°-90°或±45°对齐,比这更兼容或更少的人,”兰布罗说。“有趣的是，我们发现，被优化为最坚硬的样本，结果也最坚硬。”所以，如果你看它们断裂的地方，这个是最高负荷的。这有点出乎意料，因为他们没有为这个特性进行优化。事实上，优化后的样本也比其他样本要轻一些，所以如果你观察特定负载，单位重量的失效负载，它会高很多。它比其他的强多了。为什么会出现这种情况，这是我们接下来要调查的问题。”

Lambros说，将来可能会进行更多的测试，但目前，他的团队已经成功地证明，他们可以为优化的添加式复合构建提供验证。