雖然碳纖維增強技術早在20世紀60年代就出現了，但控制纖維方向來優化材料強度性能卻是最近才發展起來的。通常，碳纖維在模具中隨機分布，這會產生各向同性的強度特性，即：材料性能在所有方向上都相同。

但是，在某些情況下，將部件的一部分最大強度與另一部分的靈活性結合起來可能是有益的。這需要在部件的各個部分仔細地將纖維定向到所需的方向，而這可能是一個挑戰。

最近，瑞士圣加侖的BIONTEC公司想到了采用刺繡技術來解決這一挑戰。在20世紀初，世界上超過50%的刺繡生產來自圣加侖。現在，在Ansys Composite PrepPost（ACP）軟件的幫助下，BIONTEC采用了量身定制的纖維放置（TFP）工藝，以最佳方向將碳纖維自動刺繡到載體布上，從而高效且一致地創建了預制件；然后，這些刺繡預制件可以注入樹脂，并使用樹脂傳遞模塑（RTM）工藝進行固化，來大批量制造碳纖維復合材料。

大規模生產優化的碳纖維增強復合材料將帶來巨大的好處，尤其是對于汽車和飛機行業，它們必須不斷減少產品的排放，以實現環保。輕質、高強纖維復合材料在降低燃料消耗和減少排放方面發揮著重要作用。

OST-IWK與BIONTEC合作，開發了一種基于ACP定制的新型仿真框架，以指導TFP工藝的縫合和成形。模擬工作流程包括兩個步驟：“研究”和“處理”

第一步，評估各向同性模擬的主要應力，以確定層結構的最佳纖維方向，然后在TFP工藝（仿生設計方法）中使用。第二步，ACP中分層結構的創建基于選擇規則、查找表和字段定義；然后，在ACP中定制織物懸垂功能，并在模型中重新創建TFP過程的完整刺繡路徑。

最初，ACP將層壓板建模為均勻的結構，所有纖維都指向一個方向，然后通過腳本將選擇規則指定的纖維和基體區域的坐標導入到查找表中。通過場定義功能，所選信息覆蓋預定義的均勻信息，以修改纖維的方向。這樣，纖維幾何圖形將盡可能精確地自動映射，盡可能逼真地考慮了放置、重塑和懸垂效果；隨后，可以在Ansys仿真環境中根據客戶需求對建模的層結構進行基準測試和驗證。

縫合預成型層

刺繡技術可用于生產單片或夾層結構部件。鑲嵌物可用于中空部件，可在制造過程后移除。

TFP層是在彼此之上設計的。CP模擬指定的纖維路徑被導入刺繡機。通過機器針的運動，組件的纖維幾何結構以鋸齒形縫線連接到刺繡背景上。

BIONTEC刺繡工藝示意圖，其中使用針將粗紗纖維穿出基體

通過將幾層纖維合并成一個縫合層，可以大大簡化預成型。對于更復雜的部件，許多疊層被拼接成一個三維穩定的預制件，很像拼圖。這種高度自動化的技術類似于刺繡，不但降低了成本，而且消除了常見的缺陷如縫隙、纖維錯位、褶皺等。

然后使用樹脂傳遞模塑（RTM）來模塑部件的凈形狀，減少了加工時間。由于注入優化的預成形件和多腔模具，可以在不使用高壓RTM系統的情況下實現更短的周期時間，使其更不容易出現工藝引起的錯誤。在RTM過程中，干燥的預制體被基體(即樹脂-硬化劑混合物)浸漬。RTM工具由兩個半模組成，半模具有成品部件的外輪廓。反應樹脂，也稱為基體，將纖維保持在適當的位置，在單個纖維之間傳遞張力，并保護纖維免受外部影響。

整個制造鏈充分利用了材料的質量，同時也為模塑復合材料零件提供了很大的設計自由度。TFP通過在構件的凈形狀內插入與載荷路線對齊的纖維，使有針對性地鋪設纖維材料，從而根據力的流動設計構件。這可以更好地利用纖維的各向異性特性，同時產生更少的浪費并降低成本。

自行車制動桿的TFP結構

作為一個測試例子，BIONTEC和OST使用TFP工藝生產了碳纖維增強自行車制動桿。制動桿由幾層組成。為了簡化結構，未考慮制動桿末端和螺紋孔附近的材料增厚。編織路徑以彩色線的形式在預坯上繪制。這種幾何形狀的纖維附著在0.08毫米薄的玻璃纖維織物上，采用之字形針法和聚酯材料制成的緊固線。

剎車杠桿的預成形件由一個被切割然后預成形的平擱板組成。由于玻璃纖維刺繡背景和聚酯刺繡線的比例很小，因此在模型構建和仿真中都忽略了這兩部分。然而，在計算纖維方向的彈性模量時，通過5%的波動折減因子考慮了纖維的波動。

定制的Ansys Composite PrePost（ACP）版本用于將每個縫合層的信息帶入Ansys軟件（A），然后預制體中的不同層以正確的順序映射到模型中(b)。在ACP中，可以根據材料規格區分纖維和基體。

這里使用了兩種半經驗方法來確定有限元模型中使用的機械性能，以及Ansys Workbench中的材料設計器，這使得在給定可用的原始材料性能的情況下，可以計算復合材料的均勻化材料性能。當纖維體積含量為35%時，兩種混合規則方法和材料設計器的計算結果相似。然后，針對不同的負載情況(由BIONTEC進行兩次質量測試)進行準靜態模擬，并基于測量和光學驗證進行驗證。

在這項工作中，重點是構件的剛度，這是用ACP模擬。模擬剛度由力(50 N)和遠端點的垂直右位移計算。在第一種載荷情況下，制動桿沿驅動方向加載：制動桿與夾緊點成24°的傾斜，并在桿端垂直向下加載。第二種載荷情況對應于剪切載荷，其中制動桿水平設置，與夾緊點成24°角，與地面成30°角。

為了驗證仿真，測量集中在線性范圍。在所考慮的情況下，平均測量的實驗剛度在有限元模型得出值的8%以內。剛度測量值的實驗色散在15% ~ 21%之間。在測試過程中，使用GOM 3D相機跟蹤位移和膨脹。所有模擬數據集僅與測量數據略有偏差。通過material Designer對材料特性進行均勻化，仿真結果顯示出較好的力學性能預測能力。

制動桿上的垂直向下載荷工況（a）和剪切載荷工況（b）

垂直向下荷載工況（a）和剪切荷載工況（b）下制動桿的預測變形

定制的ACP工作流程，以及Ansys復合材料生態系統的其他建模工具，已經證明了該軟件能夠捕捉復雜的微觀結構細節和3D復合材料的潛在行為，該復合材料通過新型TFP制造技術制成，能夠在任何方向放置連續的纖維束或粗紗。

建模軟件和驅動實際纖維增強塑料（FRP）制造過程的軟件之間的更緊密集成可能會開啟強大的制造優化研究。這些研究將產生最佳拓撲結構和纖維排列，從而為特定應用提供最佳復合解決方案。