CN104388848A - 一种3d打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法 - Google Patents

一种3d打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104388848A
CN104388848A CN201410762725.4A CN201410762725A CN104388848A CN 104388848 A CN104388848 A CN 104388848A CN 201410762725 A CN201410762725 A CN 201410762725A CN 104388848 A CN104388848 A CN 104388848A
Authority
CN
China
Prior art keywords
guidepost
prints
layer
printing
fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201410762725.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104388848B (zh
Inventor
单忠德
刘丰
战丽
李志坤
乔娟娟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Advanced Manufacture Technology Center China Academy of Machinery Science and Technology
Original Assignee
Advanced Manufacture Technology Center China Academy of Machinery Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Advanced Manufacture Technology Center China Academy of Machinery Science and Technology filed Critical Advanced Manufacture Technology Center China Academy of Machinery Science and Technology
Priority to CN201410762725.4A priority Critical patent/CN104388848B/zh
Publication of CN104388848A publication Critical patent/CN104388848A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104388848B publication Critical patent/CN104388848B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Abstract

本发明公开了一种3D打印制备金属基复合材料的方法,它涉及一种利用3D打印成形技术制备纤维增强金属基体复合材料的工艺方法。本发明是为了解决柔性导向三维织造技术中导向柱升降及排布不够灵活、长纤维增强金属基体复合材料中零件预制体织造难度大、金属液浸渗预制体工艺复杂、成本高、成品率低等问题。主要方法为:以多种金属和长纤维为原材料,在三维织造纤维预制体的过程中采取3D打印成形技术打印成形导向柱,以逐层编织逐层打印的方式制备零件。该方法实现了长纤维增强金属基复合材料的纤维织造与金属液浸渗成形一体化,大幅度提高了零件的制造效率。

Description

一种3D打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法
技术领域
本发明涉及一种长纤维增强金属基复合材料的新工艺,特别是利用3D打印成形技术和三维织造成形技术制备形状复杂、变截面零件的工艺方法。
背景技术
纤维增强金属基复合材料具有轻质、比强度高、耐磨性强、比模量高、耐高温性能好、抗老化等优良的综合性能,在先进武器、航空航天等领域有着广阔的应用前景,同时金属基复合材料逐渐地从军事国防向民用领域渗透,如今已在陆上运输、民航、工业和体育休闲产业等诸多领域实现商业化的应用。
目前,金属基复合材料的制备方法主要有液态制备法和固态制备法,液态制备法主要有搅拌溶铸法、液态浸渗法、喷射沉积法。固态制备法主要包括粉末冶金法、热压法等。但是这些方法都有较明显的局限性,比如,液态金属搅拌熔铸法的基本原理是将增强颗粒直接加入基体金属熔体中,通过一定的搅拌方式使颗粒均匀地分散于金属基体中,然后浇铸成锭坯、铸件等,但这种方法对于长纤维增强材料并不适用,另外,该方法不能实现复合材料性能可设计性这一突出特点;液态浸渗法是先将增强相做成预制件,用惰性气体或机械化装置作为压力媒体将金属液压入预制件的孔隙中,凝固后即成复合材料,此种方法对于结构比较复杂的零件不适用,而且制造成本较高,对零件的尺寸要求严格。粉末冶金法是最早用来制备金属基复合材料的一种固态制备法,可以制备复合材料坯锭以供挤压、轧制、锻压和旋压而最终成形,但粉末冶金法只适用于制备各种颗粒或晶须增强的金属基复合材料,且其制备工艺复杂、成本较高,限制了复合材料的工业化、大规模生产。
柔性导向三维织造技术能制造出形状较复杂、结构性能较好的零件预制体,但是由于预制体的形状复杂,常规浸渍工艺很难浸渍完全,容易导致成品制件出现浇不足、缩孔、缩松等严重缺陷。本专利将复合材料柔性导向三维织造技术与3D打印成形技术深度结合,能够实现金属基复合材料零件的分层快速成形,不仅能解决预制体浸渍困难问题,还能够解决复杂变截面零件成形问题,同时提高生产效率,降低生产成本。
发明内容
为了满足长纤维增强金属基复合材料的性能要求,保证纤维连续性,解决复杂变截面零件的织造问题。本发明提出一种基于3D打印快速成形的工艺方法制备三维织造长纤维增强金属基复合材料,该工艺方法可以实现长纤维增强金属基复合材料的纤维织造与金属浸渗一体化成形,可以高效快速的制备出形状复杂、截面变化的复合材料零件,且无需后期加工处理。
本发明采用3D打印技术与柔性导向三维织造技术相结合制备长纤维增强金属基复合材料,具体包括以下步骤:
(1)根据零件实际尺寸,完成零件的三维CAD建模,利用软件对零件的三维CAD模型进行分层处理并得离散化的二维层片信息;
(2)计算机根据零件的性能需求,结合柔性导向三维织造技术原理,得到每个层面所需要导向柱的类型、材料、数量以及排布方式等打印成形信息,同时自动生成纤维三维织造路径的程序;
(3)根据三维织造中导向柱的分布规律,根据零件的性能需求,结合3D打印成形技术原理,得到导向柱的打印程序和每个层面所需要金属的类型以及每层打印厚度的信息;
(4)在真空条件下,3D打印成形机根据打印程序首先在可实时控温的工作平台上打印出第一层导向柱;
(5)三维织造成形机根据三维织造程序以3D打印导向柱为导向完成一层纤维的编织,层间织造纤维的路径根据打印导向柱的排布以及零件对纤维排布的要求确定;
(6)3D打印成形机根据打印程序完成一层织造纤维间的金属喷射沉积成形;(7)一层成形完毕后,形成新的成形表面,3D打印成形设备上移,距离为
下一层导向柱的高度;
(8)3D打印成形机在当前金属沉积层的表面打印导向柱,所有层间导向柱的参数根据具体零件性能的具体要求而变化;
(9)重复步骤5~8直至零件制备完成。
所述导向柱是根据零件层片信息要求通过3D打印技术制得,导向柱的材质、数量、高度以及分布根据零件当前层信息调整;根据导向柱在当前层中所处位置不同,可以改变导向柱的截面形状和方向。
所述织造纤维是碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、氮化硼、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或几种。
每层纤维以当前层打印的导向柱为导向进行织造,每层织造纤维的路径根据零件当前层信息相应调整。
根据零件性能的不同需求,对每层可以选择一种或多种金属打印成形。每层喷射沉积金属的厚度与当前层导向柱高度相同,3D打印成形设备每次打印完成后上升的高度为下一层导向柱的高度。
所述工作平台处于真空或惰性气体保护中。
本发明采用3D打印成形技术与三维柔性导向织造技术相结合制备长纤维增强金属基体复合材料,能够根据零件的需要实现导向柱的灵活打印,以及纤维的灵活织造,可以实现复杂变截面金属基复合材料零件的一次成形,提高了工作效率,同时降低成本。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图;
图2是实施例1中的三维模型图;
图3是实施例1中的工艺示意图,图中1为工作平台,2为打印成形的导向柱,3为织造纤维,4为填充金属;
图4是实施例2中的三维模型图。
具体实施方式
本发明利用3D打印成形技术与三维柔性导向织造技术相结合制备长纤维增强金属基复合材料,能够根据零件的性能需要实现导向柱的灵活排布,可以更加灵活地完成纤维的三维织造,能够实现复杂变截面金属基复合材料零件的一次成形。
实施例1:
本实施例使用本发明方法制长纤维增强金属基复合材料的皮带轮零件,步骤如下:
(1)首先建立皮带轮的三维CAD模型如图2所示;
(2)对零件的三维CAD模型进行分层信息处理,得到二维层片的离散信息;
(3)根据步骤(2)中得到的零件二维层片信息,进行3D打印成形以及纤维三维织造路径的设计;
(4)根据零件的层片信息,采用T300-1k碳纤维与铝合金为成形材料;
(5)打印设备在工作平台上打印一层导向柱(图3所示2为打印成形的导向柱);
(6)三维织造成形设备根据既定程序以当前层导向柱为导向进行纤维的三维织造,一层织造完成后,进行金属喷射沉积成形,金属层厚度为当前层导向柱高度;
(7)3D打印成形设备上移,距离为下一层导向柱的高度;
(8)根据零件的需要,确定导向柱为圆柱形、直径从0.5mm-2mm不等,间距从1mm-2mm不等、每层高度从0.5mm-1mm不等,依据选定参数在上一打印层上打印导向柱;
(9)重复步骤6~8直至零件完成。
实施例2:
该实施例采用本发明方法制备圆环形零件如图4所示,与实施例1所不同的是该实施例中零件不存在变截面情况,步骤4中使用T300-3k碳纤维,步骤6中导向柱采用圆柱形,直径为1.5mm,间距为1.5mm,每层高度为1mm,其余均同实施例1中相同。
以上对本发明及其实施方式的描述是示意性的,没有限制性。所以,如果本领域的普通技术人员受其启示,在不脱离本发明创造宗旨的情况下,进行其他实施例,均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种3D打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法,其特征在于,以长纤维束和多种金属为成形原材料,根据零件的轮廓和层片信息,利用3D打印成形技术完成每层导向柱的打印以及纤维层间金属的喷射沉积成形,利用三维织造成形技术根据零件的轮廓和层片信息完成纤维编织,具体包括以下步骤:
(1)根据零件实际尺寸,完成零件的三维CAD建模,利用软件对零件的三维CAD模型进行分层处理并得到轮廓和层片以及零件相关材料信息;
(2)将零件的轮廓和层片信息输入到成形机的控制系统中,系统自动生成零件的3D打印导向柱以及纤维三维织造路径程序;
(3)3D打印成形机根据打印程序首先在工作平台上打印出一层导向柱;
(4)三维织造成形机根据三维织造程序以步骤(3)打印的导向柱为导向完成对应层纤维的编织;
(5)3D打印成形机根据打印程序完成该层织造纤维间的金属沉积成形;
(6)一层成形完毕后,形成新的成形表面,打印成形设备上移一定高度;
(7)重复步骤3~6直至零件制备完成。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法,其特征在于,所述导向柱是根据零件层片信息要求通过3D打印技术制得,导向柱的材质、数量、高度以及分布根据零件当前层信息调整。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法,其特征在于,根据导向柱在当前层中所处位置不同,可以改变导向柱的截面形状和方向。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法,其特征在于,织造纤维是碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、氮化硼、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法,其特征在于,每层纤维以当前层打印的导向柱为导向进行织造,每层织造纤维的路径根据零件当前层信息相应调整。
6.根据权利要求1所述的一种3D打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法,其特征在于,根据零件性能的不同需求,对每层可以选择一种或多种金属打印成形。
7.根据权利要求1所述的一种3D打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法,其特征在于,每层喷射沉积金属的厚度与当前层导向柱高度相同。
8.根据权利要求1所述的一种3D打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法,其特征在于,3D打印成形设备每次打印完成后上升的高度为下一层导向柱的高度。
9.根据权利要求1所述的一种3D打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法,其特征在于,所述工作平台处于真空或惰性气体保护中。
CN201410762725.4A 2014-12-14 2014-12-14 一种3d打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法 Active CN104388848B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410762725.4A CN104388848B (zh) 2014-12-14 2014-12-14 一种3d打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410762725.4A CN104388848B (zh) 2014-12-14 2014-12-14 一种3d打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104388848A true CN104388848A (zh) 2015-03-04
CN104388848B CN104388848B (zh) 2016-08-24

Family

ID=52606804

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410762725.4A Active CN104388848B (zh) 2014-12-14 2014-12-14 一种3d打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104388848B (zh)

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106041087A (zh) * 2016-07-28 2016-10-26 西安交通大学 基于连续纤维牵引的低熔点金属熔融沉积3d打印方法
CN106077652A (zh) * 2016-08-10 2016-11-09 河北大学 一种激光熔覆叠层复合成形设备及成形方法
CN106393684A (zh) * 2016-09-27 2017-02-15 浙江理工大学 一种结合纺织制造原理改进的3d打印生产装置及织造方法
CN106544604A (zh) * 2016-12-08 2017-03-29 淮海工学院 一种纤维增强金属基复合材料的制备方法及装置
CN106584885A (zh) * 2016-12-15 2017-04-26 姚胜南 一种非金属材料制品的3d打印与玻璃钢复合制作工艺
CN107557703A (zh) * 2017-08-24 2018-01-09 西华大学 一种3d打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法
CN108068319A (zh) * 2016-11-10 2018-05-25 机械科学研究总院先进制造技术研究中心 一种连续纤维复合材料增材制造方法
CN108215178A (zh) * 2018-03-06 2018-06-29 西安交通大学 一种连续纤维增强复合材料的原位编织增材制造方法
WO2018166514A1 (zh) * 2017-03-16 2018-09-20 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 一种复合材料自适应增减纱三维织造方法
CN108602126A (zh) * 2016-02-08 2018-09-28 西门子股份公司 用于制造构件的方法和设备
CN109129827A (zh) * 2018-09-06 2019-01-04 浙江大学 一种3d打印编织一体化成型的复合柱的建造方法及复合柱
CN109747228A (zh) * 2018-07-23 2019-05-14 机械科学研究总院集团有限公司 一种多材料复合构件及其成形工艺
CN110588013A (zh) * 2019-08-30 2019-12-20 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 一种多功能一体化复合材料的复合成形方法
CN112899875A (zh) * 2021-01-13 2021-06-04 李典森 基于3d打印成型的三维整体编织方法及制备的复合材料
CN112936903A (zh) * 2021-03-15 2021-06-11 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 一种变截面三维复合材料预制体分区域致密化成形方法
CN113634762A (zh) * 2021-08-07 2021-11-12 王书杰 铝基连续碳纤维增强复合材料的3d成型方法
WO2021233905A1 (en) * 2020-05-20 2021-11-25 Danmarks Tekniske Universitet Apparatus and method for manufacturing reinforced 3d printed structures
CN114425827A (zh) * 2021-10-21 2022-05-03 南京玻璃纤维研究设计院有限公司 一种基于3d打印制备预制体的方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10212638A (ja) * 1997-01-28 1998-08-11 Kawasaki Heavy Ind Ltd 繊維含有率調整三次元織物、並びに該織物を用いた金属接合用耐熱繊維強化複合材料及びその接合方法
WO2007023308A1 (en) * 2005-08-23 2007-03-01 Middlesex Silver Co. Limited Silver wire
CN102492898A (zh) * 2011-12-31 2012-06-13 机械科学研究总院先进制造技术研究中心 一种内置纤维预制件的金属件制造方法
CN103042624A (zh) * 2012-12-26 2013-04-17 机械科学研究总院先进制造技术研究中心 用于制备复合材料预制件的导向套
CN104097326A (zh) * 2014-07-09 2014-10-15 西安交通大学 一种纤维增强复合材料多自由度3d打印机及其打印方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10212638A (ja) * 1997-01-28 1998-08-11 Kawasaki Heavy Ind Ltd 繊維含有率調整三次元織物、並びに該織物を用いた金属接合用耐熱繊維強化複合材料及びその接合方法
WO2007023308A1 (en) * 2005-08-23 2007-03-01 Middlesex Silver Co. Limited Silver wire
CN102492898A (zh) * 2011-12-31 2012-06-13 机械科学研究总院先进制造技术研究中心 一种内置纤维预制件的金属件制造方法
CN103042624A (zh) * 2012-12-26 2013-04-17 机械科学研究总院先进制造技术研究中心 用于制备复合材料预制件的导向套
CN104097326A (zh) * 2014-07-09 2014-10-15 西安交通大学 一种纤维增强复合材料多自由度3d打印机及其打印方法

Cited By (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108602126A (zh) * 2016-02-08 2018-09-28 西门子股份公司 用于制造构件的方法和设备
CN106041087B (zh) * 2016-07-28 2018-03-16 西安交通大学 基于连续纤维牵引的低熔点金属熔融沉积3d打印方法
CN106041087A (zh) * 2016-07-28 2016-10-26 西安交通大学 基于连续纤维牵引的低熔点金属熔融沉积3d打印方法
CN106077652A (zh) * 2016-08-10 2016-11-09 河北大学 一种激光熔覆叠层复合成形设备及成形方法
CN106393684A (zh) * 2016-09-27 2017-02-15 浙江理工大学 一种结合纺织制造原理改进的3d打印生产装置及织造方法
CN106393684B (zh) * 2016-09-27 2018-09-14 浙江理工大学 一种结合纺织制造原理改进的3d打印生产装置及织造方法
CN108068319A (zh) * 2016-11-10 2018-05-25 机械科学研究总院先进制造技术研究中心 一种连续纤维复合材料增材制造方法
CN106544604B (zh) * 2016-12-08 2018-02-06 淮海工学院 一种纤维增强金属基复合材料的制备方法及装置
CN106544604A (zh) * 2016-12-08 2017-03-29 淮海工学院 一种纤维增强金属基复合材料的制备方法及装置
CN106584885A (zh) * 2016-12-15 2017-04-26 姚胜南 一种非金属材料制品的3d打印与玻璃钢复合制作工艺
WO2018166514A1 (zh) * 2017-03-16 2018-09-20 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 一种复合材料自适应增减纱三维织造方法
CN107557703A (zh) * 2017-08-24 2018-01-09 西华大学 一种3d打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法
CN108215178A (zh) * 2018-03-06 2018-06-29 西安交通大学 一种连续纤维增强复合材料的原位编织增材制造方法
CN109747228B (zh) * 2018-07-23 2022-04-01 机械科学研究总院集团有限公司 一种多材料复合构件及其成形工艺
CN109747228A (zh) * 2018-07-23 2019-05-14 机械科学研究总院集团有限公司 一种多材料复合构件及其成形工艺
CN109129827A (zh) * 2018-09-06 2019-01-04 浙江大学 一种3d打印编织一体化成型的复合柱的建造方法及复合柱
CN110588013A (zh) * 2019-08-30 2019-12-20 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 一种多功能一体化复合材料的复合成形方法
WO2021233905A1 (en) * 2020-05-20 2021-11-25 Danmarks Tekniske Universitet Apparatus and method for manufacturing reinforced 3d printed structures
CN112899875A (zh) * 2021-01-13 2021-06-04 李典森 基于3d打印成型的三维整体编织方法及制备的复合材料
CN112936903A (zh) * 2021-03-15 2021-06-11 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 一种变截面三维复合材料预制体分区域致密化成形方法
CN112936903B (zh) * 2021-03-15 2022-05-27 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 一种变截面三维复合材料预制体分区域致密化成形方法
CN113634762A (zh) * 2021-08-07 2021-11-12 王书杰 铝基连续碳纤维增强复合材料的3d成型方法
CN113634762B (zh) * 2021-08-07 2024-02-23 重庆中昆铝业有限公司 铝基连续碳纤维增强复合材料的成型方法
CN114425827A (zh) * 2021-10-21 2022-05-03 南京玻璃纤维研究设计院有限公司 一种基于3d打印制备预制体的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN104388848B (zh) 2016-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104388848A (zh) 一种3d打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法
EP3170587B1 (en) Fibre-reinforced metal component for an aircraft or spacecraft and production methods for fibre-reinforced metal components
CN104399981B (zh) 一种金属基复合材料的三维打印成形方法
CN107774996B (zh) 一种多材料梯度点阵结构的零件的一体化成形方法
US7927528B2 (en) Preform for manufacturing a material having a plurality of voids and method of making the same
CN103695681B (zh) 一种铝基碳化硅颗粒增强复合材料及其构件的成型装置及方法
CN102492898A (zh) 一种内置纤维预制件的金属件制造方法
CN107716855B (zh) 一种砂型自适应梯度打印的成形方法
EP3109033A1 (en) Compression mould, compression moulding tool and compression moulding method
CN107856298A (zh) 一种连续纤维增强复合材料回转式3d打印机
CN104923787A (zh) 一种梯度材料结构的3d打印方法
CN104385606A (zh) 一种复合材料零部件3d打印成形方法
CN103949639A (zh) 一种激光选区熔化技术制备Nb-Si基超高温合金的方法
CN103586410A (zh) 一种型砂喷射固化增材制造方法
CN110079693A (zh) 基于3d打印技术制备金属基复合材料坯料的方法
CN104388849A (zh) 一种金属基复合材料零部件的快速成形方法
CN103240402A (zh) 一种颗粒增强铝基复合材料铸锭的生产方法
CN103143709B (zh) 基于Ti元素粉末和Al元素粉末制备TiAl金属间化合物零件的方法
CN107385619B (zh) 一种全碳纤维复合材料结构的综框
CN108372296A (zh) 一种电子束熔丝制备功能梯度材料的方法
CN104924678A (zh) 复合蜂窝夹芯板
CN103341621A (zh) 潜流铸造方法
CN108543935B (zh) 一种3d打印结合真空消失模制备金属基shs耐磨涂层的方法
CN106694879B (zh) 一种激光-感应复合熔化沉积纤维增强金属基复合材料的方法
CN109774130A (zh) 一种3d打印石墨成型冷铁及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant