CN104309126A

CN104309126A - 纤维增强复合材料增强3d打印结构

Info

Publication number: CN104309126A
Application number: CN201410562068.9A
Authority: CN
Inventors: 冯鹏; 孟鑫淼
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2015-01-28

Abstract

本发明公开了一种纤维增强复合材料增强3D打印结构，属于土木工程增强技术领域。其中，本发明提出的纤维增强复合材料增强3D打印梁，包括：3D打印梁；FRP梁外覆层，FPR梁外覆层位于3D打印梁的外表面，FPR梁外覆层包括：FRP梁底板、FRP梁侧板以及FRP梁箍中的一种或多种的组合。另外，本发明提出的纤维增强复合材料增强3D打印柱，包括：3D打印柱；FRP柱外覆层，FRP柱外覆层位于3D打印柱的外表面，FRP柱外覆层为环向封闭。本发明的纤维增强复合材料增强3D打印结构的承载能力和延性提升显著，灵活合理、高效经济，不影响原结构美观及使用功能，且可与其他增强技术结合使用。

Description

纤维增强复合材料增强3D打印结构

技术领域

本发明属于土木工程技术领域和新材料成型结构技术领域，具体涉及一种纤维增强复合材料增强3D打印结构。

背景技术

3D打印是近年来迅猛发展的一种快速成型技术，其应用范围包括航空航天、制造业、生物医学、食品、服饰、艺术创作、建筑模型等领域。随着既有3D打印技术的改进和新型3D打印技术的研发，大型3D打印设备接连问世，促使大尺寸制品的打印成为可能，并带来打印成本的迅速降低。因此，3D打印建筑物应运而生。美国南加州大学的Khoshnevis教授研究能够打印混凝土房屋的打印机，该打印机喷出胶体状混凝土实现层状打印。英国拉夫堡大学Buswell等人开展3D Concrete Printing项目研究，同样利用挤出工艺进行混凝土建筑物打印。意大利发明家Dini发明了大型3D打印机D-shape，利用粉末粘结技术打印非线性建筑。中国马义和等人利用改性水泥挤出技术在上海建造了一批3D打印建筑物。但3D打印建筑物至今仍处于展示阶段，其各向异性的结构特性成为限制其安全使用的关键因素。

3D打印技术以数字化三维模型为基础，通过逐层打印、分层叠加的方式构造三维实体。根据具体打印方式不同分为挤出堆积成型、三维粉末粘结成型(3DP)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)、立体光固化成型(SLA)等。但所有打印方式均是基于分层打印、堆叠成型的原理。因此3D打印制品均具有明显的分层纹路，其层间强度相比于层内强度降低较多，具有显著的各向异性特性。因此如何增强3D打印结构的强度，从而提高整体建筑物的安全性成为当务之急。

目前3D打印制品的常用增强技术包括浸蜡、浸胶等手段。这些技术能够在一定程度上增强3D打印制品的强度，满足其运输及日常使用过程中不破损的基本要求，但对于建筑结构构件等承力构件的强度要求尚不能满足。因此必须开发更加有效的增强技术和方法。

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，即FRP)是由玻璃纤维或碳纤维等高性能纤维与树脂基体混合经过一定的加工工艺复合而成的非金属材料。它具有轻质、高强、施工成型方便、耐腐蚀等显著优点。本发明提出一种采用纤维增强复合材料进行3D打印结构增强的新技术，即在3D打印结构外部采用FRP整体包裹或局部粘贴等手段，从而有选择地、高效地、经济地增强3D打印结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、施工快捷、多功能增强、效果显著的一种纤维增强复合材料增强3D打印结构。

根据本发明第一方面实施例的纤维增强复合材料增强3D打印结构，该纤维增强复合材料增强3D打印结构为纤维增强复合材料增强3D打印梁，包括：3D打印梁；FRP梁外覆层，所述FPR梁外覆层位于所述3D打印梁的外表面，所述FPR梁外覆层包括：FRP梁底板、FRP梁侧板以及FRP梁箍中的一种或多种的组合。

另外，根据本发明上述实施例的纤维增强复合材料增强3D打印结构，还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述3D打印梁通过基于分层打印、堆叠成型的3D打印技术打印而成，所述3D打印技术为挤出堆积成型技术、三维粉末粘结成型技术、选择性激光烧结技术、熔融沉积成型技术、数字光处理成型技术或立体光固化成型技术。

在本发明的一个实施例中，所述3D打印梁的横截面为任意横截面。

在本发明的一个实施例中，所述FRP梁箍包括不封闭U形箍或者封闭环形箍。

在本发明的一个实施例中，所述FRP梁外覆层通过手糊、喷射、板材粘贴或真空灌注方式形成在所述3D打印梁的外表面。

根据本发明第二方面实施例的纤维增强复合材料增强3D打印结构，该纤维增强复合材料增强3D打印结构为纤维增强复合材料增强3D打印柱，包括：3D打印柱；FRP柱外覆层，所述FRP柱外覆层位于所述3D打印柱的外表面，所述FRP柱外覆层为环向封闭。

在本发明的一个实施例中，所述3D打印柱通过基于分层打印、堆叠成型的3D打印技术打印而成，所述3D打印技术为挤出堆积成型技术、三维粉末粘结成型技术、选择性激光烧结技术、熔融沉积成型技术、数字光处理成型技术或立体光固化成型技术。

在本发明的一个实施例中，所述3D打印柱的横截面为任意横截面。

在本发明的一个实施例中，所述FRP柱外覆层为柱全长环向包裹或者局部环向包裹。

在本发明的一个实施例中，所述FRP柱外覆层通过手糊、喷射、板材粘贴或真空灌注方式形成在所述3D打印柱的外表面。

根据本发明实施例的纤维增强复合材料增强3D打印结构，构造合理，便于使用，具体优点如下：

(1)FRP增强层厚度薄、重量轻，不影响原结构美观及使用功能；

(2)FRP增强层提高内部3D打印结构的耐久性；

(3)增强后构件的承载能力和延性大幅度提升；

(4)增强方式灵活，适用于各种截面形式；

(5)采用传统方式施工，经验丰富，施工方便；

(6)可与其他增强技术，如嵌入、预应力等增强技术结合使用。

附图说明

图1是本发明实施例的纤维增强复合材料增强3D打印梁的示意图。

图2是本发明实施例的纤维增强复合材料增强3D打印柱的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

由于3D打印具有分层打印、堆叠成型的特征，因此3D打印结构具有明显的各向异性和较低的层间强度。而建筑物全寿命周期中受力状况复杂，薄弱的层间粘结极有可能成为整栋建筑物破坏甚至倒塌的源头，因此有必要增强3D打印结构的承载能力，提高安全储备。纤维增强复合材料增强3D打印结构技术仅使用少量FRP材料作为结构构件的外覆层，发挥其轻质高强、增强方式灵活的特点，提高3D打印梁的抗弯及抗剪承载能力和3D打印柱的约束承载力，以改善3D打印结构层间强度较低、各向异性明显的结构特性，提高3D打印建筑物的安全储备，从而实现增强的目的。

本发明针对结构特性复杂、层间强度较低的3D打印建筑物提出了纤维增强复合材料增强3D打印结构技术。

本发明第一方面提出了一种纤维增强复合材料增强3D打印梁，如图1所示，包括：3D打印梁11和位于3D打印梁11的外表面的FRP梁外覆层。FPR梁外覆层可以包括：FRP梁底板12、FRP梁侧板13以及FRP梁箍14中的一种或多种的组合。3D打印梁11的横截面可以为任意横截面。FRP梁箍14包括不封闭U形箍或者封闭环形箍。

其中，3D打印梁11可以通过基于分层打印、堆叠成型的3D打印技术打印而成。3D打印技术具体可以为挤出堆积成型技术、三维粉末粘结成型技术、选择性激光烧结技术、熔融沉积成型技术、数字光处理成型技术或立体光固化成型技术。3D打印梁11被打印出来，经过打磨等表面处理后，根据其截面形式，选择合适的增强方法如手糊、喷射、板材粘贴或真空灌注等，产生FRP梁外覆层。

需要说明的是，FRP梁底板12主要提供3D打印梁11的抗弯承载能力，FRP梁侧板13主要提供3D打印梁11的抗剪承载能力，FRP梁箍14同时提供3D打印梁11的抗剪承载能力和提高FRP梁底板12、FRP梁侧板13的粘接锚固能力。FRP外覆层可以依据实际受力状况单独采用FRP梁底板12、FRP梁侧板13、FRP梁箍14或组合使用，提高内部3D打印梁11的承载能力和延性。

根据本发明第二方面实提出一种纤维增强复合材料增强3D打印柱，如图2所示，包括：3D打印柱21和位于3D打印柱21的外表面FRP柱外覆层22。3D打印柱21的横截面可以为任意横截面。FRP柱外覆层22为环向封闭以提供对内部3D打印柱21的约束力，从而提高其承载能力和延性。同时FRP柱外覆层22可以根据实际受力状况选择局部环向约束或者全柱长环向约束方式，实现合理、高效、经济的目的。

其中，3D打印柱21可以通过基于分层打印、堆叠成型的3D打印技术打印而成。3D打印技术具体可以为挤出堆积成型技术、三维粉末粘结成型技术、选择性激光烧结技术、熔融沉积成型技术、数字光处理成型技术或立体光固化成型技术。3D打印柱21被打印出来，经过打磨等表面处理后，根据其截面形式，选择合适的增强方法如手糊、喷射、板材粘贴或真空灌注等，产生FRP柱外覆层22。

需要说明的是，本发明提到的FRP的材料种类有玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、混杂纤维等。在实际应用中，FRP外覆层将主要利用价格低廉的GFRP(玻璃纤维增强复合材料)，当受力要求很高时可采用少量性能优越但价格较高的CFRP(碳纤维增强复合材料)。增强方式的选择需根据内部3D打印梁、柱的材料类型和打印方式而定，避免削弱内部结构原有特性，如针对石膏材质的打印结构，可缩短湿加工的持续时间，以减少内部石膏的水化。

本发明通过增加纤维增强复合材料，大幅提高了被增强结构的承载能力和延性。申请人已通过试验验证了其有效性，对纤维增强复合材料增强3D打印梁进行四点弯试验和对纤维增强复合材料增强3D打印圆柱进行轴压试验，结果表明：纤维增强复合材料增强3D打印梁的抗弯承载力提高179.6％～538.8％，跨中挠度变形提高40.8％～225.8％；纤维增强复合材料增强3D打印圆柱的峰值荷载提高1427.2％～1792.0％，极限变形能力提高833.9％～1171.3％。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种纤维增强复合材料增强3D打印结构，其特征在于，所述纤维增强复合材料增强3D打印结构为纤维增强复合材料增强3D打印梁，包括：

3D打印梁；

FRP梁外覆层，所述FPR梁外覆层位于所述3D打印梁的外表面，所述FPR梁外覆层包括：FRP梁底板、FRP梁侧板以及FRP梁箍中的一种或多种的组合。

2.如权利要求1所述的纤维增强复合材料增强3D打印结构，其特征在于，所述3D打印梁通过基于分层打印、堆叠成型的3D打印技术打印而成，所述3D打印技术为挤出堆积成型技术、三维粉末粘结成型技术、选择性激光烧结技术、熔融沉积成型技术、数字光处理成型技术或立体光固化成型技术。

3.如权利要求1所述的纤维增强复合材料增强3D打印结构，其特征在于，所述3D打印梁的横截面为任意横截面。

4.如权利要求1所述的纤维增强复合材料增强3D打印结构，其特征在于，所述FRP梁箍包括不封闭U形箍或者封闭环形箍。

5.如权利要求1所述的纤维增强复合材料增强3D打印结构，其特征在于，所述FRP梁外覆层通过手糊、喷射、板材粘贴或真空灌注方式形成在所述3D打印梁的外表面。

6.一种纤维增强复合材料增强3D打印结构，其特征在于，所述纤维增强复合材料增强3D打印结构为纤维增强复合材料增强3D打印柱，包括：

3D打印柱；

FRP柱外覆层，所述FRP柱外覆层位于所述3D打印柱的外表面，所述FRP柱外覆层为环向封闭。

7.如权利要求6所述的纤维增强复合材料增强3D打印结构，其特征在于，所述3D打印柱通过基于分层打印、堆叠成型的3D打印技术打印而成，所述3D打印技术为挤出堆积成型技术、三维粉末粘结成型技术、选择性激光烧结技术、熔融沉积成型技术、数字光处理成型技术或立体光固化成型技术。

8.如权利要求6所述的纤维增强复合材料增强3D打印结构，其特征在于，所述3D打印柱的横截面为任意横截面。

9.如权利要求6所述的纤维增强复合材料增强3D打印结构，其特征在于，所述FRP柱外覆层为柱全长环向包裹或者局部环向包裹。

10.如权利要求6所述的纤维增强复合材料增强3D打印结构，其特征在于，所述FRP柱外覆层通过手糊、喷射、板材粘贴或真空灌注方式形成在所述3D打印柱的外表面。