CN106738891A - 一种层间增强的连续纤维复合材料增材制造方法 - Google Patents

一种层间增强的连续纤维复合材料增材制造方法 Download PDF

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单忠德
刘丰
吴晓川
李志坤
张群
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Abstract

本发明涉及一种层间增强的连续纤维复合材料增材制造方法，属于复合材料和增材制造的交叉领域。本发明方法的步骤为：建立连续纤维增强复合材料制件的CAD模型，获取所述制件的连续纤维和基体的配比数据、模型轮廓数据和扫描路径数据，丝材由引丝机构牵引导入打印喷头，通过CAD驱动控制打印喷头在工作台上进行连续纤维复合材料打印，通过层间辅助喷头进行层间短纤维的铺放，采用压实机构进行打印层的压实，实现连续纤维增强复合材料制件的增材制造。本发明提出的层间增强的连续纤维增强复合材料增材制造方法提高了连续纤维增强复合材料的制造效率和纤维/树脂的界面结合强度，打印层间的短纤维铺放实现了复合材料制件的层与层之间的结合性能，实现了增材制造复合材料的层间增强，提高了材料纤维体积分数，从而实现了连续纤维增强复合材料的高性能、高效增材制造。

Description

一种层间增强的连续纤维复合材料增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种层间增强的连续纤维复合材料增材制造方法，属于复合材料与增材制造的交叉技术领域。
背景技术
连续纤维增强复合材料作为新一代先进复合材料，具备了远高于金属材料的比刚度、比强度，同时还具有热稳定性好、可设计性强等材料特性，因此被广泛应用于空天飞行器、船舶、医疗等高新技术领域。传统的复合材料制造技术主要是由预制体制造和基体浸润固化两个工序构成，为实现基体对于预制体的良好浸润，从而有效提高连续纤维增强复合材料制件的高强度、高模量，传统的复合材料制造工艺过程较复杂，尤其是后续基体浸润预制体的成型过程较为繁复，且耗时长、耗能高。
增材制造技术是将原材料采用逐层累加的制造方式形成最终的制件，相比于传统的复合材料制造技术，将增材制造技术应用于复合材料的制造，制造过程简单，材料利用率高，在预制体织造的同时完成复合材料的固化成型，无需缩短了复合材料的制造周期，降低了制造成本。但是针对连续纤维增强复合材料的增材制造方法尚不完善，尤其面向复合材料制件高性能的发展需求，现有的连续纤维增强复合材料增材制造方法尚未解决复合材料层间强度低的问题。
本发明提出一种层间增强的连续纤维复合材料增材制造方法，通过对打印材料施压的层间紧实工艺提高了连续纤维和基体的结合性能，在此基础上，采用层间辅助机构在打印层之间进行短纤维铺放，通过层间铺放的短纤维实现层与层之间结合界面区的纤维增强，有效提高了复合材料制件的层间结合强度，同时还提高了整体制件的纤维体积分数，从而提高连续纤维增强复合材料的综合性能。
发明内容
本发明主要是提供一种层间增强的连续纤维复合材料增材制造方法，该增材制造方法利用滚压结构提高连续纤维与基体的界面结合性能，同时利用层间短纤维的铺放实现复合材料的层间增强，提高复合材料层间性能的同时提高材料纤维体积分数，从而实现连续纤维增强复合材料制件的高性能、高效增材制造。
一种层间增强的连续纤维复合材料增材制造方法，具体步骤如下：
①建立连续纤维增强复合材料制件的CAD模型；
②根据CAD模型获取所述制件的连续纤维和基体的配比数据、模型轮廓数据和扫描路径数据；
③选取适用于所述制件的连续纤维和基体丝材布置于引丝机构上；
④选取的连续纤维和基体丝材由引丝机构牵引导入打印喷头，通过熔融挤压从喷嘴挤出；
⑤根据所述制件的模型轮廓数据和扫描路径数据，通过CAD驱动控制打印喷头在工作台上进行连续纤维复合材料打印；
⑥通过CAD驱动控制层间辅助喷头与打印喷头随动，沿所述制件的扫描路径进行指定短纤维的铺放；
⑦通过CAD驱动压实机构与层间辅助喷头随动，沿所述制件的扫描路径进行短纤维层的压实；
⑧完成所述制件的一层打印后，所述工作台下降一定高度；
⑨重复步骤⑤、步骤⑥和步骤⑦，实现所述制件的增材制造。
2.在打印喷头进行连续纤维复合材料打印之前，对工作台或已完成打印层进行预热。
3.所述的进行连续纤维复合材料打印，可采用压实机构沿扫描路径对打印材料进行实时压实。
4.所述的连续纤维和短纤维为碳纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、碳纳米管纤维中的一种或多种。
5.所述的引丝机构可对连续纤维进行展纤和预加热。
6.所述的压实机构可对压辊进行加热。
7.所述的打印喷头可进行打印材料和支撑材料的打印。
8.所述的短纤维的铺放采用气流导出或螺旋送料方式。
本发明有益的效果是：
1.设备自动化水平高，制备过程可控，可实现连续纤维增强复合材料大型、复杂结构制件的快速制造。
2.通过在打印层与层之间铺放短纤维，可有效提高结合界面区的层间强度，同时提高复合材料制件纤维体积分数，从而实现连续纤维增强复合材料制件的高性能制造。
3.在新一层打印之前，采用辅助机构沿扫描路径对已有打印层进行预热，不仅提高了打印层与层之间的结合性能，还可以释放打印层内应力，有效避免大型复合材料制件的翘曲等变形问题。
附图说明
图1 为本发明增材制造方法示意图；
图2 为增材制造连续纤维增强复合材料制件示意图。
附图标记
1—引丝机构 2—打印喷头 3—工作台 4—打印层 5—层间辅助喷头 6—纤维短切原丝 7—压实机构。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的说明。
本发明层间增强的连续纤维增强复合材料增材制造方法具体步骤如下：
A、建立连续纤维增强复合材料制件的CAD模型；
B、根据CAD模型获取制件的连续碳纤维和ABS树脂的配比数据、模型轮廓数据和扫描路径数据；
C、选取T300型号1K碳纤维和ABS树脂丝材布置于引丝机构上；
D、选取的碳纤维和ABS丝材由引丝机构牵引导入打印喷头，通过熔融挤压从喷嘴挤出；
E、根据制件的模型轮廓数据和扫描路径数据，通过CAD驱动控制打印喷头在工作台上进行碳纤维/ABS复合材料打印；
F、通过CAD驱动控制压实机构与打印喷头随动，沿所述制件的扫描路径进行打印材料的压实；
G、通过CAD驱动控制层间辅助喷头与打印喷头随动，沿所述制件的扫描路径进行碳纤维短切原丝的铺放；
H、通过CAD驱动压实机构与层间辅助喷头随动，沿扫描路径进行短切碳纤维层的压实；
I、完成所述制件的一层打印后，工作台下降一定高度；
J、重复步骤E、步骤F、步骤G和步骤H，实现所述制件的增材制造。
上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims (8)

1.一种层间增强的连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于，具体步骤如下：
①建立连续纤维增强复合材料制件的CAD模型；
②根据CAD模型获取所述制件的连续纤维和基体的配比数据、模型轮廓数据和扫描路径数据；
③选取适用于所述制件的连续纤维和基体丝材布置于引丝机构上；
④选取的连续纤维和基体丝材由引丝机构牵引导入打印喷头，通过熔融挤压从喷嘴挤出；
⑤根据所述制件的模型轮廓数据和扫描路径数据，通过CAD驱动控制打印喷头在工作台上进行连续纤维复合材料打印；
⑥通过CAD驱动控制层间辅助喷头与打印喷头随动，沿所述制件的扫描路径进行指定短纤维的铺放；
⑦通过CAD驱动压实机构与层间辅助喷头随动，沿所述制件的扫描路径进行短纤维层的压实；
⑧完成所述制件的一层打印后，所述工作台下降一定高度；
⑨重复步骤⑤、步骤⑥和步骤⑦，实现所述制件的增材制造。
2.根据权利要求1所述的层间增强的连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于，在打印喷头进行连续纤维复合材料打印之前，对工作台或已完成打印层进行预热。
3.根据权利要求1所述的层间增强的连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于，所述的进行连续纤维复合材料打印，可采用压实机构沿扫描路径对打印材料进行实时压实。
4.根据权利要求1所述的层间增强的连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于，所述的连续纤维和短纤维为碳纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、碳纳米管纤维中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的层间增强的连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于，所述的引丝机构可对连续纤维进行展纤和预加热。
6.根据权利要求1所述的层间增强的连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于，所述的压实机构可对压辊进行加热。
7.根据权利要求1所述的层间增强的连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于，所述的打印喷头可进行打印材料和支撑材料的打印。
8.根据权利要求1所述的层间增强的连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于，所述的短纤维的铺放可采用气流导出或螺旋送料方式。
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