CN103963321A - 激光打印制备复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光打印制备复合材料的技术，就是把激光打印技术与复合材料制备技术结合起来，以制备出成本低、应用灵活、适应性强，并且性能稳定性、产品质量可靠的复合材料，本发明的主要特点是：选用对特定波长的激光束吸收能力较强的功能或增强相，埋入对相同波长的激光束吸收能力相对较低的基质材料内，利用特定波长的激光束透过基质材料对功能或增强相进行扫描，功能或增强相吸收激光光能并将之转变为热能而温度升高，与之接触的基质材料受热熔融并浸渍了功能或增强相，按着3D打印的方法，激光束持续扫描，即可得到所需复合材料。

Description

激光打印制备复合材料
技术领域
本发明涉及一种激光打印制备复合材料的技术。这种复合材料的制备技术涉及激光打印成型技术和复合材料制备技术。
技术背景
激光技术作为现代先进制造技术的典型方法,已经在众多的高新技术领域得到广泛应用,其中,激光3D打印制备各种材料及其制件的技术被广泛公开，其基本原理是激光束焦点附近的能量密度很高，足以熔融多种粉体材料，利用数字控制台架拖动激光头以控制激光束焦点的位置，就能使熔融的材料堆积成立体的制件。
复合材料包含两种或两种以上物理上不同并可能用机械方法分离的材料。一般其中一种为连续基体相，另一种为功能或增强相，几种材料通过某种方法混合在一起获得复合性能，复合材料的总体性能优于各单独组分材料，并在某些方面可能具有独特性能。目前已公开的复合材料制备技术有16种，每一种复合材料制备技术都各有其独特的优、缺点，所以，每一种复合材料制备技术都有存在的价值和独特的应用领域，难以被替代。同时，由于复合材料应用领域越来越大，我们对复合材料性能等的要求越来越高，任何新的复合材料制备技术都有可能对复合材料技术的发展带来深远的影响。
专利文件201010270282.9公开了一种聚合物基复合材料的手糊成型工艺,其包括材料准备、产品制作、后固化三个过程：所述产品制作过程为先将两块增强用纤维布用胶水固定包裹在泡沫芯两头,然后对整个泡沫芯进行全长喷胶并包裹一层增强用纤维布,最后,采用同样的方式包裹若干层增强用纤维布或者包裹一层表面毡。
专利文件201210139083.3公开了一种热塑性复合材料、制备方法及其应用。该复合材料是由包括以下重量份的组分制成：预浸料1～99份和热塑性组合物或热塑性树脂1～99份。制备方法如下：把1～99份热塑性组合物或热塑性树脂加入注塑机加料斗中,同注塑模具中已有的1～99份预浸料一起,注塑成型。
专利文件200410018343公开了热塑性树脂基碳纤维复合材料片材及其制作方法和设备。其制作方法第一步先制备热塑型树脂预浸带，首先把碳纤维加张力展平成片、挤出热塑性树脂涂覆在碳纤维上，然后通过浸渍、辊压定型，经自然冷却后牵引、收卷。第二步为拉挤热塑成型，通过第一步的若干层预浸带经预热、热压、成型然后冷却定型、收卷、牵引，得到成品。
发明内容
为了克服手糊技术制备复合材料有气泡残留、基质浸入不完全而导致的复合材料力学性能降低、性能稳定性低、产品质量不易控制的弊端，同时保留手糊制备复合材料技术成本低、应用灵活、对制件的几何形状适应性强等优点，本发明提供一种激光打印制备复合材料的技术，即：把激光打印技术与复合材料制备技术结合起来，以制备出成本低、应用灵活、适应性强，并且性能稳定性、产品质量可靠的复合材料。
本发明的主要特点是：选用对特定波长的激光束吸收能力较强的功能或增强相，埋入对相同波长的激光束吸收能力相对较低的基质材料内，利用特定波长的激光束透过基质材料对功能或增强相进行扫描，功能或增强相吸收激光光能并将之转变为热能而温度升高，与之接触的基质材料受热熔融并浸渍了功能相或增强相，形成复合材料。
现有的几种复合材料制备技术，其加热方法是外部热能通过接触传热和（或）辐射传热和（或）对流传热，由外部向内部传递，首先接受热能的是表层基质，而后，功能或增强相才能接受到热能，这可能导致最需要热能的基质与功能相或增强相的界面温度滞后，不利于复合材料的形成，制备多层复合材料时越接近复合材料中心层温度滞后越严重。
激光打印制备复合材料技术是使功能或增强相成为热源，因而基质与功能或增强相的界面温度上升极快，有利于加快复合材料制备速度并提高基质与功能相或增强相的界面结合强度。
按着3D打印的方法，激光束持续扫描覆盖整个功能相或增强相，即可得到所需复合材料。
如果在机器人上面安装激光器，将功能相或增强相编织体埋入装在透明容器内的基质材料中，机器人操纵激光器，可以透过容器和基质材料，多方向、多角度对功能或增强相编织体进行激光扫描，则可以实现三维复杂形状复合材料的激光制备。
良好的可编程性、较低加工成本和高加工速率都可以很好地对设备高投资进行补偿，批量生产的情况下，单个部件的加工成本将非常低。
附图说明
附图是激光打印制备复合材料示意图。
实施方式
透明容器（1）内盛有基质（2）, 功能或增强相（3）埋于基质（2）中,激光器（4）投射出的激光束（5）高效透过透明容器（1）和基质（2），聚集于功能或增强相（3）上形成光斑（6），由于功能或增强相（3）对激光束（5）有极高的吸收率，激光光能被功能或增强相（3）吸收而转化为热能，使功能或增强相（3）温度升高，与之接触的基质（2）被加热，随后被吸附并浸润功能或增强相（3），激光器（4）在数字控制系统的控制下移动，光斑（6）实现对功能或增强相（3）的逐行扫描，从而实现基质（2）对功能或增强相（3）的整体浸润，使功能或增强相（3）与基质（2）复合而成复合材料。
功能或增强相（3）可以是利用碳纤维制成的一维、二维或三维编织物，也可以其他对激光束（5）具有较高吸收系数的材料，如果激光器（4）多方向、多角度对功能或增强相（3）进行激光扫描，则可以实现三维复杂形状复合材料的激光制备。

Claims (3)

1. 激光打印制备复合材料其特征是：选用对特定波长的激光束吸收能力较强的功能或增强相，埋入对相同波长的激光束吸收能力相对较低的基质材料内，利用特定波长的激光束透过基质材料对功能或增强相进行扫描，功能或增强相吸收激光光能并将之转变为热能而温度升高，与之接触的基质材料受热熔融并浸渍了功能或增强相，形成复合材料，具体实施方式为：透明容器（1）内盛有基质（2）, 功能或增强相（3）埋于基质（2）中,激光器（4）投射出的激光束（5）高效透过透明容器（1）和基质（2），聚集于功能或增强相（3）上形成光斑（6），由于功能或增强相（3）对激光束（5）有极高的吸收率，激光光能被功能或增强相（3）吸收而转化为热能，使功能或增强相（3）温度升高，与之接触的基质（2）被加热，随后被吸附并浸润功能或增强相（3），激光器（4）在数字控制系统的控制下移动，光斑（6）实现对功能或增强相（3）的逐行扫描，从而实现基质（2）对功能或增强相（3）的整体浸润，使功能或增强相（3）与基质（2）复合而成复合材料。
2.按权利要求1所述的激光打印制备复合材料，其特征是：如果在机器人上面安装激光器，将功能或增强相编织体埋入装在透明容器内的基质材料中，机器人操纵激光器，可以透过容器和基质材料，多方向、多角度对功能或增强相编织体进行激光扫描，则可以实现三维复杂形状复合材料的激光制备。
3.按权利要求1所述的激光打印制备复合材料，其特征是：功能或增强相3可以是利用碳纤维制成的一维、二维或三维编织物，也可以其他对激光束5具有较高吸收系数的材料。
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