CN107433713B - 一种基于连续纤维复材3d打印的功能调控结构制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，利用计算机辅助设计软件，根据功能调控结构材料制件的外形特征，建立制件的三维模型，然后导入计算机辅助工程软件对制件进行相应性能分析，并对关键特征区域进行功能调控设计，绘制出纤维轨迹的曲线；再对其纤维轨迹进行算法优化，并考虑3D打印中的工艺手段，对纤维轨迹再进行调整，得到最终纤维轨迹曲线，根据轨迹曲线生成制件的3D打印路径指令文件；最后将指令文件导入到连续纤维增强复合材料3D打印机中，完成功能调控结构材料的制备；本发明可实现复合材料中纤维路径与含量的动态控制，完成变刚度纤维复合材料、热传导可调控材料与电磁可调控材料等功能调控材料的可设计性制造。

Description

一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法

技术领域

本发明涉及连续纤维增强复合材料3D打印技术领域，具体涉及一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法。

背景技术

纤维增强复合材料作为一种各向异性材料，与金属合金材料相比，具有高比强度、高比模量、可设计强及多功能融合等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶和风力发电等领域。随着新的复合材料制造技术的发展，如变角度纤维丝束(Variable angle tow，VAT)铺放、连续纤维增强复合材料3D打印等，突破传统复合材料丝束单一直线方向铺放的限制，实现纤维丝束的曲线布局，为高性能复合材料的制造提供创新的高性能解决方案。

随着各学科技术的发展与生产需求，设计制造出机-电-热一体化的功能调控材料已经成为航空航天、船舶等领域的迫切需求。现有的功能调控材料以对于刚度、热传导、电磁性能的可控设计研究居多。在各类复合材料层合板的使用当中,为满足连接或安装设备的要求,不可避免的在层合板上设计一些具有整体形状缺陷的结构，例如开一些孔洞等。如何最大化纤维增强复合材料强大的可设计性，使得结构局部刚度分布与工况条件下的载荷分布对应，解决结构局部区域应力集中问题，提高结构整体的承载能力和材料的使用效率，是未来发展的重要方向，这种局部刚度非均匀分布的材料被称为变刚度复合材料，此材料由于可通过控制纤维含量对零件结构内部的刚度进行设计，因此可得到力学性能更高的制品。其次，根据零部件的特征在其内部添加导热/导电纤维如金属丝、碳纤维等，可得到热传导与电磁性能可调控的功能结构，如何改变结构内部的热传导方式与电磁性能，做到对于热、电磁的灵活设计与调控，也是研究的一大热点与难点。要实现此类多功能调控结构的制造，通常需要采用多种材料复合，通过可控添加碳纤维、金属丝、金属片或者金属网等功能材料，对零件结构的刚度、传导系数、介电常数等性能进行局部调控，获得具有非均匀材料或结构分布的功能性零部件。由于其材料异质性与各向异性以及VAT制造工艺限制，使得功能调控设计过程十分复杂，但其应用前景十分诱人。

然而，受制于设计手段与制造工艺的限制，面向功能调控的复合材料结构创新设计与自动化制造技术长时间处于探索阶段，主要研究难点在于：

(1)现有的可用于变刚度纤维复合材料的制备方法如变角度纤维丝束(VAT)铺放，无法实现对局部纤维结构进行精确铺放以及纤维大角度变化铺放，因此难以完全实现变刚度复合材料的复杂纤维路径与含量动态控制。

(2)对于热传导与电磁性能的调控方法，现阶段主要使用金属片或者金属网等金属结构来改变其传递方式。但此方法只能对于局部区域进行功能调控，并不能制备出形状特征复杂的热传导可调控材料与电磁可调控材料，且制造工艺还处于研究阶段，不具有应用的广泛性与可操作性。

连续纤维增强热塑性复合材料3D打印工艺方法，是以连续纤维与热塑性高分子材料为原材料，采用同步复合浸渍-熔融沉积复合材料3D打印创新工艺，实现连续纤维增强热塑性复合材料制备与成形的一体化制造。其次，由于此工艺继承了连续纤维增强及3D打印技术的优势，可进行任意角度任意形状的纤维铺设，有望解决复杂纤维路径与含量的动态控制，为功能调控结构材料的制备提供技术支持。对于变刚度复合材料、热传导可调控材料与电磁可调控材料等各类功能调控结构材料，其可设计性原理均可通过控制纤维丝或金属丝的路径来实现其功能调控。然而，现有连续纤维增强热塑性复合材料3D打印工艺仅实现了简单复合材料构件的制造，尚未综合考虑如何与纤维走向与功能调控设计集成，无法实现按照功能需求，进行复合材料中纤维或金属丝的任意角度及任意形状的布置，不能直接应用于具有功能调控的复合材料结构的制备。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，实现功能调控结构材料中纤维路径与含量的动态控制，进而完成变刚度复合材料、热传导可调控材料与电磁可调控材料等功能调控结构材料的可设计性制造。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，包括以下步骤：

1)建立三维模型：利用计算机辅助设计CAD软件，根据功能调控结构材料制件的外形特征，建立制件的三维模型，若制件结构简单，则直接进行下一步；若制件结构复杂，则按其结构特征分割为不同的结构模块，再分别对这些结构模块进行下一步操作；

2)性能分析与模拟：将三维模型导入计算机辅助工程CAE软件中，对所要制备的功能调控结构材料样件进行静力学、热力学、电磁学的性能分析，同时根据其具体工况下的环境特征进行模拟仿真，并根据分析模拟结果提取制件的主应力场、热场、电磁场的特征曲线；

3)纤维轨迹生成：根据步骤2)得到的主应力场、热场、电磁场的特征曲线的分布特征，对其应力集中区域、热场流动变化、电磁场流动变化的关键区域进行功能调控设计，即进行纤维路径与含量的调整，得出用于描述纤维轨迹的曲线；

4)纤维轨迹优化：首先，利用数值计算分析软件对纤维轨迹进行算法优化，其中优化的算法包括最小二乘法、细胞自动机CA及遗传算法，从而得到制件的算法优化轨迹；其次，考虑3D打印中的工艺手段，对纤维轨迹再进行优化调整，包括纤维方向角、纤维铺放密度、打印扫描间距及打印厚度的参数，得到最后的纤维轨迹曲线；

5)生成制件路径：将步骤1)中的制件三维模型导入到计算机辅助制造CAM软件中，根据步骤4)得到的纤维轨迹曲线生成制件的3D打印路径，同时根据3D打印工艺，计算出打印时的各项工艺参数，得到最后的3D打印指令文件；

6)完成3D打印制备：将步骤5)生成的3D打印指令文件导入到连续纤维增强复合材料3D打印机中，根据路径与工艺参数信息，完成功能调控材料结构材料的制备。

所述的步骤1)中计算机辅助设计CAD软件，包括Autodesk Inventor、SolidWorks、CATIA、Pro/E、AutoCAD或UG NX。

所述的步骤2)中计算机辅助工程CAE软件，包括ANSYS、ABAQUS、MATLAB、COMSOL、icepark、flotherm、MicroWave Studio、HFSS或Mafia。

所述的步骤3)、步骤4)中数值分析计算软件与路径优化软件，包括MATLAB、C#、C++或Fortran。

所述的步骤5)中3D打印路径生成软件，包括ReplicatorG、RepetierH、Cura、XBuilder、MakerBot、Slic3r或Simplify3D。

所述的步骤6)中所选用的连续纤维增强复合材料的树脂基体中，包括聚乳酸(PLA)、ABS、尼龙、聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)的热塑性树脂材料；所选用的连续纤维增强复合材料的纤维增强相包括碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维的连续纤维材料及铜丝、银丝的金属丝束。

本发明的优点：与现有技术相比，本发明把连续纤维3D打印技术引入到了功能调控结构材料制备领域，为功能调控结构提供了一种广泛可用并且完整准确的制备方法，能够根据制件的实际工作情况对其刚度、热传导、电磁性能等物理性能进行设计，并按照设计与优化的路径制备出纤维曲线完全相同的复合材料。该方法所制变刚度复合材料件能有效解决零件受载过程中的应力集中问题，有效提高制件的力学性能，并具有良好的适用性，能够满足变刚度纤维复合材料的制备要求，可广泛应用于制备各类(特别是存在结构缺陷)变刚度纤维复合材料层合板；该方法所制热传导可调控材料与电磁可调控材料可改变零部件结构内部的热传导方式与电磁性能，实现热场、电磁场的灵活设计与调控，可广泛应用于制备各类具有较高传热性能与电磁性能的功能性材料零部件。同时，该发明能根据制件工作环境进行刚度、热传导、电磁性能的整体功能调控设计，制造出多性能高质量的机-电-热一体化零部件。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明实施例变刚度复合材料中制件的结构与所受拉伸载荷分布的示意图。

图3是本发明实施例变刚度复合材料中建立的制件三维模型示意图。

图4是变刚度复合材料制件的普通复合材料的直线纤维轨迹示意图，其中横坐标和纵坐标的单位为米(m)。

图5是本发明实施例变刚度复合材料中制件的曲线纤维轨迹示意图，其中横坐标和纵坐标的单位为米(m)。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本实施例采用连续纤维复合材料3D打印机作为制备装置，Solidworks为建模软件，ABAQUS为仿真软件，ReplicatorG为路径生成的软件，选用熔融挤出成形工艺，以带有中心圆孔的变刚度复合材料为例进行详细说明。

参照图1，一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，包括以下步骤：

1)建立三维模型：按照图2的尺寸与数据，利用计算机辅助设计CAD软件Solidworks，根据纤维复合材料制件的外形特征，建立如图3所示的制件三维模型，并导出制件模型的STL文件，由于此实施例的结构特征较为简单，直接选用整体三维模型进行下一步操作；

2)静力分析与模拟：将三维模型导入计算机辅助工程CAE软件ABAQUS中，对所要制备的纤维复合材料样件进行静力学分析，模拟制件在拉伸工况下的实际受力情况，得到主应力的分布特点和趋势，并提取制件的主应力集中区域和主应力大小与方向；

3)纤维轨迹生成：根据静力分析得到的主应力大小和方向等分布特征，得到连续的主应力分布曲线，图4为普通复合材料的直线纤维轨迹示意图，存在应力集中与力学性能较弱等问题；本发明方法则通过上一步中的静力学分析结构进行对应集中区域进行变刚度设计，得出用于描述纤维轨迹的曲线，如图5所示；

4)纤维轨迹优化：首先，利用数值计算分析软件MATLAB对上一步中得到的纤维曲线轨迹进行算法优化，从而得到制件的算法优化轨迹，其中优化的算法包括最小二乘法、细胞自动机(CA)及遗传算法等优化算法；其次，考虑3D打印中的工艺手段，对纤维轨迹再进行优化调整，包括纤维方向角、纤维铺放密度、打印扫描间距及打印厚度的参数，得到最后的纤维轨迹曲线；

5)生成制件路径：将步骤1)制件三维模型导入到计算机辅助制造CAM软件中，根据步骤4)得到的纤维轨迹曲线生成制件的3D打印路径，同时根据3D打印工艺，计算出打印时的各项工艺参数，得到最后的3D打印指令文件；

6)完成3D打印制备：将步骤5)生成的3D打印指令文件导入到3D打印机中，选择聚乳酸(PLA)为树脂基体、芳纶纤维为增强体材料，根据路径与工艺参数信息，完成变刚度纤维复合材料的制备。

Claims (6)

1.一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立三维模型：利用计算机辅助设计CAD软件，根据功能调控结构材料制件的外形特征，建立制件的三维模型，若制件结构简单，则直接进行下一步；若制件结构复杂，则按其结构特征分割为不同的结构模块，再分别对这些结构模块进行下一步操作；

2)性能分析与模拟：将三维模型导入计算机辅助工程CAE软件中，对所要制备的功能调控结构材料样件进行静力学、热力学、电磁学的性能分析，同时根据其具体工况下的环境特征进行模拟仿真，并根据分析模拟结果提取制件的主应力场、热场、电磁场的特征曲线；

3)纤维轨迹生成：根据步骤2)得到的主应力场、热场、电磁场的特征曲线的分布特征，对其应力集中区域、热场流动变化、电磁场流动变化的关键区域进行功能调控设计，即进行纤维路径与含量的调整，得出用于描述纤维轨迹的曲线；

4)纤维轨迹优化：首先，利用数值计算分析软件对纤维轨迹进行算法优化，其中优化的算法包括最小二乘法、细胞自动机CA及遗传算法，从而得到制件的算法优化轨迹；其次，考虑3D打印中的工艺手段，对纤维轨迹再进行优化调整，包括纤维方向角、纤维铺放密度、打印扫描间距及打印厚度的参数，得到最后的纤维轨迹曲线；

5)生成制件路径：将步骤1)中的制件三维模型导入到计算机辅助制造CAM软件中，根据步骤4)得到的纤维轨迹曲线生成制件的3D打印路径，同时根据3D打印工艺，计算出打印时的各项工艺参数，得到最后的3D打印指令文件；

6)完成3D打印制备：将步骤5)生成的3D打印指令文件导入到连续纤维增强复合材料3D打印机中，根据路径与工艺参数信息，完成功能调控材料结构材料的制备。

2.根据权利要求1所述的一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，其特征在于：所述的步骤1)中计算机辅助设计CAD软件，包括Autodesk Inventor、SolidWorks、CATIA、Pro/E、AutoCAD或UGNX。

3.根据权利要求1所述的一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，其特征在于：所述的步骤2)中计算机辅助工程CAE软件，包括ANSYS、ABAQUS、MATLAB、COMSOL、icepark、flotherm、MicroWave Studio、HFSS或Mafia。

4.根据权利要求1所述的一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，其特征在于：所述的步骤3)、步骤4)中数值分析计算软件与路径优化软件，包括MATLAB、C#、C++或Fortran。

5.根据权利要求1所述的一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，其特征在于：所述的步骤5)中3D打印路径生成软件，包括ReplicatorG、RepetierH、Cura、XBuilder、MakerBot、Slic3r或Simplify3D。

6.根据权利要求1所述的一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，其特征在于：所述的步骤6)中所选用的连续纤维增强复合材料的树脂基体中，包括聚乳酸(PLA)、ABS、尼龙、聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)的热塑性树脂材料；所选用的连续纤维增强复合材料的纤维增强相包括碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维的连续纤维材料及铜丝、银丝的金属丝束。