CN108215178A - 一种连续纤维增强复合材料的原位编织增材制造方法 - Google Patents

Abstract

一种连续纤维增强复合材料的原位编织增材制造方法，先对三维构件的数据进行分层离散，得到打印和编织所需的制造数据；然后对待编织的纤维丝进行预分组与预定型：再利用连续纤维增强复合材料打印技术完成打印动作，形成打印层；在喷头移动的同时，导线器快速在喷头后端还未固化的路径上进行编织动作，此时，混合物中的树脂对纤维丝进行浸渍和固化，在打印层上形成编织层；重复打印和编织，直到达到目标样件层厚，即完成了对目标样件的打印和编织的一体化制造过程；本发明可在简单机构且无模具的条件下，实现复杂结构的高性能连续纤维增强复合材料构件打印成型和纤维编织过程的集成与统一，实现对构件各向性能，尤其使z向层间结合性能的可控性。

Description

一种连续纤维增强复合材料的原位编织增材制造方法

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种连续纤维增强复合材料的原位编织增材制造方法。

背景技术

连续纤维增强复合材料是航空航天、国防军工等领域的重要支撑，其使用量成为衡量相关领域先进程度的重要指标，其制造技术是关键。目前，按照结构划分，连续纤维增强复合材料的制造技术包括层压/缠绕工艺和编织工艺。其中，层压/缠绕工艺较为简单，适用范围广，但存在材料层间结合强度低、性能各向异性等问题。编织工艺利用编织方法制作三维分布的纤维预制体，再利用热压等方法浸渍树脂得到复合材料，可制造材料性能均衡的构件，但纤维编织工序复杂，且难以实现复杂结构的制造。

近年来，研究人员发明了连续纤维复合材料的增材制造方法(田小永等.中国专利ZL2014103256503，2014年；单忠德等.中国专利CN106515041A，2017年；李隆球等.中国专利CN106493946A，2017年；中国专利CN107127972A，2017年)，解决了传统连续纤维复合材料制造中需要模具、工序复杂、复杂结构难以实现等难题。但是，现有复合材料增材制造方法均基于层压/缠绕工艺，依然存在材料层间结合强度、性能各向异性等问题。

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连续纤维增强复合材料的原位编织增材制造方法，可在无模具条件下，实现复杂结构的高性能连续纤维增强复合材料构件打印成型和纤维编织过程的集成与统一。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种连续纤维增强复合材料的原位编织增材制造方法，包括以下步骤：

a)对三维构件的数据进行分层离散：对目标样件8的三维数据进行离散处理、路径规划、工艺参数设定，得到打印和编织所需的制造数据；

b)对待编织的纤维丝进行预分组与预定型：纤维丝3的分组由编织器的分组完成，编织器是由若干导线器5的集合组成，对纤维丝3的分组即为对连接纤维丝3的导线器5的分组排列；在打印过程中，纤维丝3的一端固定在打印层1上，纤维丝3的另一端则被分别安装到不同的导线器5上，导线器5进行独立运动，带动纤维丝3进行相应的编织动作；编织器之间不发生空间干涉，且其编织操作与打印操作也不发生空间干涉；

纤维丝3的预定型由目标样件8的形状决定，并且在预定型之前由导线器5前端的绕线器4给予纤维丝3预紧力将其拉紧，编织器的编织形式由目标构件8的扫描方式和扫描轨迹决定，即编织器的拓扑结构与当前打印层/编织层的拓扑结构相同；

c)形成打印层：利用连续纤维增强复合材料打印技术完成打印动作，即由喷头6挤出的纤维/熔融树脂混合物7，在喷头6沿扫描路径的运动过程中，采用步骤a)的打印参数，挤出的纤维/熔融树脂混合物7在脱离喷头6以后逐渐冷却固化，形成打印层1；

形成编织层：在喷头6移动的同时，导线器5快速在喷头6后端还未固化的路径上进行编织动作，并在导线器5完成编织后，利用导线器5前端的绕线器4对纤维丝3有一个拉紧动作；此时，混合物中的树脂对纤维丝3进行浸渍和固化，在打印层1上，不同组的导线器5在扫描轨迹上围绕喷头6经过的原位区域进行编织，形成编织层2；

d)重复步骤c)，直到喷头6完成扫描轨迹、达到目标样件8层厚，即完成了对目标样件8的打印和编织的一体化制造过程。

所述的导线器5分别均匀分布于喷头6运动路径的两侧，以位于不同侧的相邻的两个导线器5为一对进行编织。

本发明的有益效果如下：

本发明方法融合了连续纤维增强复合材料增材制造技术和原位编织工艺，不但解决了前者因加入纤维后的目标样件层间结合性能较差的问题，也解决了后者当前所需的机构复杂、过程繁琐且与其他制造过程脱节的问题，在提高打印样件性能的同时简化了机构、节省了时间，不但如此，如果引入更加复杂的编织工艺，利用代码程序实现对编织器和打印机的良好协同控制，就可以通过编织纤维在同层或层间的不同分布方式，以此实现对目标构件一些性能的可编程控制，以达到这两种技术单独存在时所都不能达到的效果，实现了两种特色技术的优势互补和扬长避短。

本发明可在简单机构且无模具的条件下，在复合材料熔融沉积的同时实现对目标样件的编织动作，省时高效的实现了复杂结构、各向性能均衡或可控的高性能连续纤维增强复合材料构件的快速制造。

附图说明

图1为本发明方法的原理图。

图2为实施例1细长型薄壁零件形成打印层的示意图。

图3为实施例1细长型薄壁零件形成编织层的示意图。

图4为实施例2圆环型薄壁零件的编织示意图。

图5为实施例3多轨迹扫描厚壁零件的编织示意图。

图6为实施例3旋转器扩张前的示意图。

图7为实施例3旋转器扩张后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方法作详细描述。

实施例1，对于细长型薄壁零件，参照图1、图2和图3，一种连续纤维增强复合材料的原位编织增材制造方法，包括以下步骤：

a)对三维构件的数据进行分层离散：将要打印的细长型薄壁零件9尺寸定为长100mm、高50mm的薄壁零件，壁厚即为单条扫面轨迹下，挤出树脂的宽度；材料选用PLA复合连续碳纤维材料，利用商业软件对细长型薄壁零件9的三维数据进行离散处理后，并规划路径和制定打印参数：打印路径为单轨迹往复直线扫描方式、分层厚度0.5mm(0.2mm-0.5mm)、扫面间距1.6mm(0.4mm-1.6mm)、扫描速度2mm/s(1mm/s-5mm/s)、打印温度220℃；

b)对待编织的纤维丝进行预分组与预定型：针对本次打印的细长型薄壁零件9的宏观尺寸和打印参数，由编织器将纤维丝分为2组，分别均匀分布于喷头6运动路径的两侧，即沿目标样件长边方向上的两侧，分别在两侧各调用5个均匀排列于零件两侧的导线器5，以分别位于不同侧的相邻的两个导线器5为一对，其中每个导线器5都牵引一束独立的纤维，并且都是可以独立控制和独立移动的，即达到独立编织目的；将纤维一端连接在导线器5上后，由导线器5前端绕线器对纤维施加预紧力，使纤维始终保持在拉紧状态下；另一端则使用喷头6挤出的纯熔融树脂将纤维丝粘接到基板上，测试粘接牢固后，由已确定调用的10个导线器5在预定的打印轨迹上进行预编织，以验证可否完成预期的编织任务以及确定所调用导线器5的工作状态是否复合要求；

c)形成打印层：利用连续纤维增强的复合材料打印技术完成打印动作，即由喷嘴直径为1.6mm的喷头6挤出PLA熔融树脂包裹着连续碳纤维的复合材料，沿扫描路径以2mm/s的速度行进，挤出的混合物在脱离喷头6以后逐渐冷却固化；完成一层打印后，基板自动降低一个层厚，即0.5mm的高度，喷头6随即沿原路返回，如此往返，形成打印层1；

形成编织层：通过PLC编程，严格控制导线器5的运动，即要建立导线器5移动速度与喷头6打印速度之间的一个简单函数关系，此处设定为，在喷头6刚好经过一对导线器5的瞬间，该对儿导线器5以500mm/s的速度完成交换编织动作，即如图3所示，在喷头6经过左侧第一对导线器5的同时，该对导线器5以500mm/s的速度在垂直于喷头6移动方向的方向上通过平移完成编织，并在完成编织后由绕线器再次提供一定的张紧力并持续0.2s-0.5s，以保证编织纤维能够浸润在待固化的混合物中，增加编织纤维和树脂间的结合面积以最大限度提高编织效果；以此类推，在喷头6行进途中，5对导线器5先后完成编织和拉紧动作，此时编织纤维均已浸润在树脂中，形成编织层2；

d)重复步骤c)，直到打印层厚达到50mm时，完成细长型薄壁零件9的制造。

实施例2，对于圆环型薄壁零件，参照图1和图4，一种连续纤维增强复合材料的原位编织增材制造方法，包括以下步骤：

a)对三维构件的数据进行分层离散：将要打印的圆环型薄壁零件10尺寸定为直径80mm、高50mm的薄壁零件，壁厚即为单条扫面轨迹下，挤出树脂的宽度；材料选用PLA复合连续碳纤维材料，利用商业软件对圆环型薄壁零件10的三维数据进行离散处理后，并规划路径和制定打印参数：打印路径为单轨迹往复直线扫描方式、分层厚度0.5mm、扫面间距1.6mm、扫描速度1mm/s、打印温度220℃；

b)对待编织的纤维丝进行预分组与预定型：针对本次打印的薄壁圆环型薄壁零件10的宏观尺寸和打印参数，决定由编织器将纤维丝分为2组，分别均匀分布于喷头6运动路径的两侧，即沿环形目标样件的内外两侧，分别在两侧各调用8个均匀排列于圆环内外侧的导线器5，以分别位于不同侧的相邻的两个导线器5为一对，每个导线器5都牵引一束独立的纤维；将纤维一端连接在导线器5上后，由导线器5前端绕线器对纤维施加预紧力，使纤维始终保持在拉紧状态下，另一端则使用喷头6挤出的纯熔融树脂将纤维丝粘接到基板上，测试粘接牢固后，由已确定调用的16个导线器5在预定的打印轨迹上进行预编织，以验证可否完成预期的编织任务以及确定所调用导线器5的工作状态是否复合要求；

c)形成打印层：利用连续纤维增强的复合材料打印技术完成打印动作，即由直径为1.6mm的喷头6挤出PLA熔融树脂包裹着连续碳纤维的复合材料，沿扫描路径以1mm/s的速度行进，挤出的混合物在脱离喷头6以后逐渐冷却固化；完成一层圆环的打印后，基板自动降低一个层厚，即0.5mm的高度，喷头6随即沿圆环路径继续行进，形成打印层1；

形成编织层：通过PLC编程，严格控制导线器5的运动，此处设定为，在喷头6刚好经过一对导线器5的瞬间，一对导线器5以400mm/s的速度完成沿垂直于喷头6运动方向，即圆环径向平移运动的编织动作，并在完成编织后由绕线器再次对纤维提供一定的张紧力并持续0.3s-0.6s，以保证编织纤维能够浸润在待固化的混合物中，增加编织纤维和树脂间的结合面积以最大限度提高编织效果；以此类推，在喷头6行进途中，8对导线器5先后完成平移编织和拉紧动作，此时编织纤维均已浸润在树脂中，形成编织层2；

d)重复步骤c)，直到打印层厚达到50mm时，完成圆环型薄壁零件10的制造。

实施例3，对于多轨迹扫描厚壁零件，参照图1和图5，一种连续纤维增强复合材料的原位编织增材制造方法，包括以下步骤：

a)对三维构件的数据进行分层离散：将要打印的多轨迹扫描厚壁零件11尺寸定为长50mm、宽15mm、高5mm的长方体状零件，材料选用PLA复合连续碳纤维材料，利用商业软件对实体构件的三维数据进行离散处理后，并规划路径和制定打印参数：打印路径为往复直线扫描方式、分层厚度0.5mm、扫面间距1.0mm、扫描速度1mm/s、打印温度210℃；

b)对待编织的纤维进行预分组与预定型：针对本次打印的厚壁多轨迹扫描厚壁零件11的宏观尺寸和打印参数，因同一层的扫描轨迹有15条，决定由导线器5将纤维分为16组，分别均匀分布于喷头6运动路径的两侧，分别在两侧各调用3个均匀排列于扫描轨迹两侧的导线器5，以分别位于不同侧的相邻的两个导线器5为一对，每个导线器5都牵引一束独立的纤维；将纤维一端连接在导线器5上后，由导线器5前端绕线器对纤维施加预紧力，使纤维始终保持在拉紧状态下，另一端则使用喷头6挤出的纯熔融树脂将纤维粘接到基板上，测试粘接牢固后，由已确定调用的导线器5在预定的扫描轨迹上进行预编织，以验证可否完成预期的编织任务以及确定所调用导线器5的工作状态是否复合要求；

c)形成打印层：利用连续纤维增强的复合材料打印技术完成打印动作，即由直径为1.0mm的喷头6挤出PLA熔融树脂包裹着连续碳纤维的复合材料，沿扫描轨迹以1mm/s的速度行进，挤出的混合物在脱离喷头6以后逐渐冷却固化；完成一层的打印后，基板自动降低一个层厚，即0.5mm的高度，喷头6沿预定扫描轨迹继续行进，形成打印层1；

形成编织层：通过PLC编程，严格控制导线器5的运动，此处为实现多轨迹扫描时的编织，特添加一个以电磁铁13为主的旋转器12，如图6和图7所示，即在喷头6刚好经过一对导线器5的瞬间，电磁铁13通电将带有绕线器4的导线器5牢牢吸紧，并由齿轮驱动器14带动扩张杆15将纤维丝3扩开，以保证纤维丝3能够充分浸润在待固化的混合物中，增加编织纤维和树脂间的结合面积以最大限度提高编织效果，扩张前如图6所示，扩张后如图7所示；在完成吸附和扩张后，电机带动电磁铁13高速旋转180°完成一次编织；后续编织过程则是在喷头6行进过程中，旋转器12也不断跟随喷头6前进，在其到达导线器5处完成通电吸附、扩张和旋转动作完成编织后，使其断电脱离导线器5并继续跟随喷头6沿扫描轨迹运动，以此类推，此时编织纤维均已浸润在树脂中，形成编织层2；

d)重复步骤c)，直到打印层厚达到5mm时，完成多轨迹扫描厚壁零件11的制造。

Claims (2)

1.一种连续纤维增强复合材料的原位编织增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)对三维构件的数据进行分层离散：对目标样件(8)的三维数据进行离散处理、路径规划、工艺参数设定，得到打印和编织所需的制造数据；

b)对待编织的纤维丝进行预分组与预定型：纤维丝(3)的分组由编织器的分组完成，编织器是由若干导线器(5)的集合组成，对纤维丝(3)的分组即为对连接纤维丝(3)的导线器(5)的分组排列；在打印过程中，纤维丝(3)的一端固定在打印层(1)上，纤维丝(3)的另一端则被分别安装到不同的导线器(5)上，导线器(5)进行独立运动，带动纤维丝(3)进行相应的编织动作；编织器之间不发生空间干涉，且其编织操作与打印操作也不发生空间干涉；

纤维丝(3)的预定型由目标样件(8)的形状决定，并且在预定型之前由导线器(5)前端的绕线器(4)给予纤维丝(3)预紧力将其拉紧，编织器的编织形式由目标构件(8)的扫描方式和扫描轨迹决定，即编织器的拓扑结构与当前打印层/编织层的拓扑结构相同；

c)形成打印层：利用连续纤维增强复合材料打印技术完成打印动作，即由喷头(6)挤出的纤维/熔融树脂混合物(7)，在喷头(6)沿扫描路径的运动过程中，采用步骤a)的打印参数，挤出的纤维/熔融树脂混合物(7)在脱离喷头(6)以后逐渐冷却固化，形成打印层(1)；

形成编织层：在喷头(6)移动的同时，导线器(5)快速在喷头(6)后端还未固化的路径上进行编织动作，并在导线器(5)完成编织后，利用导线器(5)前端的绕线器(4)对纤维丝(3)有一个拉紧动作；此时，混合物中的树脂对纤维丝(3)进行浸渍和固化，在打印层(1)上，不同组的导线器(5)在扫描轨迹上围绕喷头(6)经过的原位区域进行编织，形成编织层(2)；

d)重复步骤c)，直到喷头(6)完成扫描轨迹、达到目标样件(8)层厚，即完成了对目标样件(8)的打印和编织的一体化制造过程。

2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料的原位编织增材制造方法，其特征在于：所述的导线器(5)分别均匀分布于喷头(6)运动路径的两侧，以位于不同侧的相邻的两个导线器(5)为一对进行编织。