虽然碳纤维增强技术早在20世纪60年代就出现了，但控制纤维方向来优化材料强度性能却是最近才发展起来的。通常，碳纤维在模具中随机分布，这会产生各向同性的强度特性，即：材料性能在所有方向上都相同。
但是，在某些情况下，将部件的一部分最大强度与另一部分的灵活性结合起来可能是有益的。这需要在部件的各个部分仔细地将纤维定向到所需的方向，而这可能是一个挑战。
最近，瑞士圣加仑的BIONTEC公司想到了采用刺绣技术来解决这一挑战。在20世纪初，世界上超过50%的刺绣生产来自圣加仑。现在，在Ansys Composite PrepPost（ACP）软件的帮助下，BIONTEC采用了量身定制的纤维放置（TFP）工艺，以最佳方向将碳纤维自动刺绣到载体布上，从而高效且一致地创建了预制件；然后，这些刺绣预制件可以注入树脂，并使用树脂传递模塑（RTM）工艺进行固化，来大批量制造碳纤维复合材料。
大规模生产优化的碳纤维增强复合材料将带来巨大的好处，尤其是对于汽车和飞机行业，它们必须不断减少产品的排放，以实现环保。轻质、高强纤维复合材料在降低燃料消耗和减少排放方面发挥着重要作用。
OST-IWK与BIONTEC合作，开发了一种基于ACP定制的新型仿真框架，以指导TFP工艺的缝合和成形。模拟工作流程包括两个步骤：“研究”和“处理”
第一步，评估各向同性模拟的主要应力，以确定层结构的最佳纤维方向，然后在TFP工艺（仿生设计方法）中使用。第二步，ACP中分层结构的创建基于选择规则、查找表和字段定义；然后，在ACP中定制织物悬垂功能，并在模型中重新创建TFP过程的完整刺绣路径。
最初，ACP将层压板建模为均匀的结构，所有纤维都指向一个方向，然后通过脚本将选择规则指定的纤维和基体区域的坐标导入到查找表中。通过场定义功能，所选信息覆盖预定义的均匀信息，以修改纤维的方向。这样，纤维几何图形将尽可能精确地自动映射，尽可能逼真地考虑了放置、重塑和悬垂效果；随后，可以在Ansys仿真环境中根据客户需求对建模的层结构进行基准测试和验证。
缝合预成型层
刺绣技术可用于生产单片或夹层结构部件。镶嵌物可用于中空部件，可在制造过程后移除。
TFP层是在彼此之上设计的。CP模拟指定的纤维路径被导入刺绣机。通过机器针的运动，组件的纤维几何结构以锯齿形缝线连接到刺绣背景上。
BIONTEC刺绣工艺示意图，其中使用针将粗纱纤维穿出基体
通过将几层纤维合并成一个缝合层，可以大大简化预成型。对于更复杂的部件，许多叠层被拼接成一个三维稳定的预制件，很像拼图。这种高度自动化的技术类似于刺绣，不但降低了成本，而且消除了常见的缺陷如缝隙、纤维错位、褶皱等。
然后使用树脂传递模塑（RTM）来模塑部件的净形状，减少了加工时间。由于注入优化的预成形件和多腔模具，可以在不使用高压RTM系统的情况下实现更短的周期时间，使其更不容易出现工艺引起的错误。在RTM过程中，干燥的预制体被基体(即树脂-硬化剂混合物)浸渍。RTM工具由两个半模组成，半模具有成品部件的外轮廓。反应树脂，也称为基体，将纤维保持在适当的位置，在单个纤维之间传递张力，并保护纤维免受外部影响。
整个制造链充分利用了材料的质量，同时也为模塑复合材料零件提供了很大的设计自由度。TFP通过在构件的净形状内插入与载荷路线对齐的纤维，使有针对性地铺设纤维材料，从而根据力的流动设计构件。这可以更好地利用纤维的各向异性特性，同时产生更少的浪费并降低成本。
自行车制动杆的TFP结构
作为一个测试例子，BIONTEC和OST使用TFP工艺生产了碳纤维增强自行车制动杆。制动杆由几层组成。为了简化结构，未考虑制动杆末端和螺纹孔附近的材料增厚。编织路径以彩色线的形式在预坯上绘制。这种几何形状的纤维附着在0.08毫米薄的玻璃纤维织物上，采用之字形针法和聚酯材料制成的紧固线。
刹车杠杆的预成形件由一个被切割然后预成形的平搁板组成。由于玻璃纤维刺绣背景和聚酯刺绣线的比例很小，因此在模型构建和仿真中都忽略了这两部分。然而，在计算纤维方向的弹性模量时，通过5%的波动折减因子考虑了纤维的波动。
定制的Ansys Composite PrePost（ACP）版本用于将每个缝合层的信息带入Ansys软件（A），然后预制体中的不同层以正确的顺序映射到模型中(b)。在ACP中，可以根据材料规格区分纤维和基体。
这里使用了两种半经验方法来确定有限元模型中使用的机械性能，以及Ansys Workbench中的材料设计器，这使得在给定可用的原始材料性能的情况下，可以计算复合材料的均匀化材料性能。当纤维体积含量为35%时，两种混合规则方法和材料设计器的计算结果相似。然后，针对不同的负载情况(由BIONTEC进行两次质量测试)进行准静态模拟，并基于测量和光学验证进行验证。
在这项工作中，重点是构件的刚度，这是用ACP模拟。模拟刚度由力(50 N)和远端点的垂直右位移计算。在第一种载荷情况下，制动杆沿驱动方向加载：制动杆与夹紧点成24°的倾斜，并在杆端垂直向下加载。第二种载荷情况对应于剪切载荷，其中制动杆水平设置，与夹紧点成24°角，与地面成30°角。
为了验证仿真，测量集中在线性范围。在所考虑的情况下，平均测量的实验刚度在有限元模型得出值的8%以内。刚度测量值的实验色散在15% ~ 21%之间。在测试过程中，使用GOM 3D相机跟踪位移和膨胀。所有模拟数据集仅与测量数据略有偏差。通过material Designer对材料特性进行均匀化，仿真结果显示出较好的力学性能预测能力。
制动杆上的垂直向下载荷工况（a）和剪切载荷工况（b）
垂直向下荷载工况（a）和剪切荷载工况（b）下制动杆的预测变形
定制的ACP工作流程，以及Ansys复合材料生态系统的其他建模工具，已经证明了该软件能够捕捉复杂的微观结构细节和3D复合材料的潜在行为，该复合材料通过新型TFP制造技术制成，能够在任何方向放置连续的纤维束或粗纱。
建模软件和驱动实际纤维增强塑料（FRP）制造过程的软件之间的更紧密集成可能会开启强大的制造优化研究。这些研究将产生最佳拓扑结构和纤维排列，从而为特定应用提供最佳复合解决方案。
