CN108858660B - 连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置及其制造方法 - Google Patents

连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置，座架的上表面设置有一材料成型区，座架上固定有立体空间移动架，立体空间移动架上安装纤维喷涂装置，纤维挤出头正对着材料成型区，座架上还安装有基板，基板通过基板导向轨与基板电机传动连接，基板位于材料成型区的正上方，基板电机能带动基板下移，使基板压在材料成型区上，工作面上开设有刮刀直线导轨，刮刀直线导轨上安装有刮刀，刮刀能在刮刀直线导轨上滑动，材料成型区的下方固定有UV‑LED光源。本发明对陶瓷材料内部结构的数字化控制，通过刮刀、纤维挤出头与基板的交替工作，将长纤维规律的嵌入陶瓷基体，大幅改善了陶瓷材料的内部结构并提高了产品的精度和成型速率。

Description

连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置及其制造方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，特别是一种结合陶瓷复合材料与连续纤维的数字光处理（Digital Light Processing）增材制造装置，具体的说，是连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置及其制造方法。
背景技术
陶瓷材料因其高强度、高耐磨性和高耐腐蚀性的特点，从而在通讯、电子、航空、航天领域被广泛应用。但其在脆性和塑性上的致命缺点也极大地制约了该类材料的发展。而利用连续纤维增韧陶瓷材料可以很好地解决这一问题，传统的加工工艺，一般采用溶胶－凝胶法、直接氧化沉积法、化学气相法等方法来制备连续纤维增强陶瓷基复合材料。这样的方法一般存在生产周期长、设备复杂、制备成本高、基体致密性差、基体体积收缩率大等缺陷，相较之下，新兴的增材制造技术拥有明显的优势。
目前，陶瓷增材制造技术主要可以分为喷墨打印技术(Ink-Jet Printing)、熔融沉积技术(fused Deposition Modeling)、分层实体制造技术(Laminated ObjectManufacturing)、选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering )和立体光固化技术(Stereo Lithography Apparatus)。 2018年3月，美国碳纤维桌面金属3D打印机厂商Markforged推出了全球首款连续碳纤维3D打印机 Mark Two，利用熔融沉积技术（FDM）将纤维和晶须嵌入陶瓷基体，从而改善其内部结构的增材制造设备，但这种方法成型速度较慢，需要设计和制作支撑结构，喷头容易发生堵塞，且最终成型的模型表面具有明显的条文，降低了模型的表面精度。相较之下，数字光处理技术（DLP）具有成形精度高，成形速度快，成形温度低（对纤维损伤小）的优点，使其在连续纤维增韧陶瓷的打印上具有无可比拟的优势。但迄今，仍没有一种针对连续纤维增韧陶瓷基复合材料的DLP装置。
发明内容
本发明提出了一种高效的，结合长纤维与陶瓷复合材料的连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置及其制造方法。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置，其中：包括座架，座架的上表面设置工作面，工作面上设置有一材料成型区，座架上固定有立体空间移动架，立体空间移动架包括X导向轨、X转接板、Y导向轨、Y转接板、Z导向轨和Z转接板，X导向轨、Y导向轨和Z导向轨安装各自的驱动电机，Z导向轨固定在座架上，Z转接板能在Z导向轨驱动电机的带动下，在Z导向轨上滑动，Y导向轨固定在Z转接板上，Y转接板能在Y导向轨驱动电机的带动下，在Y导向轨上滑动，X导向轨固定在Y转接板上，X转接板能在X导向轨驱动电机的带动下，在X导向轨上滑动，X转接板上固定纤维喷涂装置，纤维喷涂装置包括能将纤维进行树脂浸润的纤维预处理装置和纤维挤出头，纤维预处理装置与纤维挤出头连接，纤维喷涂装置能随着X转接板移动，使纤维挤出头正对着材料成型区，座架上还安装有基板，基板通过基板导向轨与基板电机传动连接，基板位于材料成型区的正上方，基板电机能带动基板下移，使基板压在材料成型区上，工作面上开设有刮刀直线导轨，刮刀直线导轨上安装有刮刀，刮刀能在刮刀直线导轨上滑动，从而横向越过材料成型区的上部，刮刀与材料成型区的上表面具有一个连续纤维增韧陶瓷基复合材料分层厚度的距离，材料成型区的下方固定有UV-LED光源，UV-LED光源的灯光能对材料成型区进行照射，连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置包括控制装置，控制装置与X导向轨、Y导向轨和Z导向轨的驱动电机、基板电机以及UV-LED光源连接并控制它们的运作。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的UV-LED光源的亮度可调。
上述的材料成型区为工作面上的一平底凹槽，材料成型区的深度与一个连续纤维增韧陶瓷基复合材料分层厚度的距离相等，刮刀的刀面与工作面齐平。
上述的刮刀的高度可调，材料成型区的深度可调。
上述的X导向轨、Y导向轨和Z导向轨的驱动电机、基板电机均固定在座架中。
上述的控制装置为计算机。
制造连续纤维增韧陶瓷基复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤一：由计算机完成UV-LED光源的截面数据编辑、纤维喷涂装置与刮刀的路径文件编辑；
步骤二：在材料成型区中注入高粘度流体陶瓷复合材料；
步骤三：计算机程序控制刮刀进行平面运动，使刮刀从材料成型区上方横向划过，将材料成型区内的高粘度流体陶瓷复合材料整平；
步骤四：计算机程序控制立体空间移动架运作，使纤维挤出头进入材料成型区，长纤维穿过纤维预处理装置浸渍树脂后，进入纤维挤出头，被纤维挤出头规律的铺设在高粘度流体陶瓷复合材料表面；
步骤五：计算机程序控制立体空间移动架运作，使纤维挤出头退出材料成型区；
步骤六：计算机程序控制基板电机运作，基板下移至材料成型区，将铺设了纤维的高粘度流体陶瓷复合材料压平，使高粘度流体陶瓷复合材料的厚度为一个分层的厚度；
步骤七：计算机程序控制UV-LED光源对高粘度流体陶瓷复合材料进行曝光处理，使铺设了纤维的高粘度流体陶瓷复合材料固化在基板的下表面；
步骤八：计算机程序控制基板上移，将固化后的高粘度流体陶瓷复合材料带离材料成型区，完成了一层连续纤维增韧陶瓷基复合材料分层的制备；
步骤九：以下表面固化有连续纤维增韧陶瓷基复合材料分层的基板为基板整体，重复步骤二至八，直至基板的下表面固化有若干层连续纤维增韧陶瓷基复合材料分层，完成连续纤维增韧陶瓷基复合材料的制备。
本发明与现有技术相比的优点是：
1.利用DLP技术，将纤维网状铺设并与陶瓷复合材料多层嵌套，大幅降低了陶瓷结构的缺陷，且生成的模型表面没有明显的条纹，克服了FDM技术表面精度低的缺陷。
2.装置灵活度高，程序化控制立体空间移动架在各个方向的运动，使得装置可在任意方向上铺设纤维，有效地利用了材料成型区的空间，且确保了运动的精度。
3.材料的利用率高，纤维挤出头、刮刀、基板交替在材料成型区上工作，完成纤维预处理和材料外形铺设的同时将长纤维规律化嵌入。
附图说明
图1为本发明的整体结构图；
图2为本发明的立体空间移动架的结构图；
图3为本发明座架的立体结构图。
其中的附图标记为：座架1、工作面11、材料成型区12、立体空间移动架2、X导向轨21、X转接板22、Y导向轨23、Y转接板24、Z导向轨25、Z转接板26、纤维喷涂装置3、纤维预处理装置31、纤维挤出头32、基板4、基板导向轨41、刮刀直线导轨5、刮刀51、UV-LED光源6。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本发明的连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置，其中：包括座架1，座架1的上表面设置工作面11，工作面11上设置有一材料成型区12，座架1上固定有立体空间移动架2，立体空间移动架2包括X导向轨21、X转接板22、Y导向轨23、Y转接板24、Z导向轨25和Z转接板26，X导向轨21、Y导向轨23和Z导向轨25安装各自的驱动电机，Z导向轨25固定在座架1上，Z转接板26能在Z导向轨驱动电机的带动下，在Z导向轨25上滑动，Y导向轨23固定在Z转接板26上，Y转接板24能在Y导向轨驱动电机的带动下，在Y导向轨23上滑动，X导向轨21固定在Y转接板24上，X转接板22能在X导向轨驱动电机的带动下，在X导向轨21上滑动，X转接板22上固定纤维喷涂装置3，纤维喷涂装置3包括能将纤维进行树脂浸润的纤维预处理装置31和纤维挤出头32，纤维预处理装置31与纤维挤出头32连接，纤维喷涂装置3能随着X转接板22移动，使纤维挤出头32正对着材料成型区12，座架1上还安装有基板4，基板4通过基板导向轨41与基板电机传动连接，基板4位于材料成型区12的正上方，基板电机能带动基板4下移，使基板4压在材料成型区12上，工作面11上开设有刮刀直线导轨5，刮刀直线导轨5上安装有刮刀51，刮刀51能在刮刀直线导轨5上滑动，从而横向越过材料成型区12的上部，刮刀51与材料成型区12的上表面具有一个连续纤维增韧陶瓷基复合材料分层厚度的距离，材料成型区12的下方固定有UV-LED光源6，UV-LED光源6的灯光能对材料成型区12进行照射，连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置包括控制装置，控制装置与X导向轨21、Y导向轨23和Z导向轨25的驱动电机、基板电机以及UV-LED光源6连接并控制它们的运作。
实施例中，UV-LED光源6的亮度可调。
实施例中，材料成型区12为工作面11上的一平底凹槽，材料成型区12的深度与一个连续纤维增韧陶瓷基复合材料分层厚度的距离相等，刮刀51的刀面与工作面11齐平。
实施例中，刮刀51的高度可调，材料成型区12的深度可调。
实施例中，X导向轨21、Y导向轨23和Z导向轨25的驱动电机、基板电机均固定在座架1中。
实施例中，控制装置为计算机。
制造连续纤维增韧陶瓷基复合材料的方法，包括以下步骤：
步骤一：由计算机完成UV-LED光源6的截面数据编辑、纤维喷涂装置3与刮刀51的路径文件编辑；
步骤二：在材料成型区12中注入高粘度流体陶瓷复合材料；
步骤三：计算机程序控制刮刀51进行平面运动，使刮刀51从材料成型区12上方横向划过，将材料成型区12内的高粘度流体陶瓷复合材料整平；
步骤四：计算机程序控制立体空间移动架2运作，使纤维挤出头32进入材料成型区12，长纤维穿过纤维预处理装置31浸渍树脂后，进入纤维挤出头32，被纤维挤出头32规律的铺设在高粘度流体陶瓷复合材料表面；
步骤五：计算机程序控制立体空间移动架2运作，使纤维挤出头32退出材料成型区12；
步骤六：计算机程序控制基板电机运作，基板4下移至材料成型区12，将铺设了纤维的高粘度流体陶瓷复合材料压平，使高粘度流体陶瓷复合材料的厚度为一个分层的厚度；
步骤七：计算机程序控制UV-LED光源6对高粘度流体陶瓷复合材料进行曝光处理，使铺设了纤维的高粘度流体陶瓷复合材料固化在基板4的下表面；
步骤八：计算机程序控制基板4上移，将固化后的高粘度流体陶瓷复合材料带离材料成型区12，完成了一层连续纤维增韧陶瓷基复合材料分层的制备；
步骤九：以下表面固化有连续纤维增韧陶瓷基复合材料分层的基板4为基板整体，重复步骤二至八，直至基板4的下表面固化有若干层连续纤维增韧陶瓷基复合材料分层，完成连续纤维增韧陶瓷基复合材料的制备。
本发明通过三个导向轨和转接板使得纤维挤出头32可在空间内任意运动，并沿任意方向进行纤维铺设。三个转接板在不同方向上以不同的速率运动，运动动作互不干涉。刮刀51与材料成型区12保持一个分层厚度的距离，且该距离可调整。UV-LED光源6对材料进行曝光的时间及曝光强度可调整。纤维挤出头32、刮刀51、基板4交替在界面材料上工作，三者的运动协调而互不干涉。
本发明利用数字光处理技术（Digital Light Processing）实现了对陶瓷材料内部结构的数字化控制，通过刮刀、纤维挤出头与基板的交替工作，将长纤维规律的嵌入陶瓷基体。本发明大幅改善了陶瓷材料的内部结构并提高了产品的精度和成型速率。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置，其特征是：包括座架(1)，所述的座架(1)的上表面设置工作面(11)，所述的工作面(11)上设置有一材料成型区(12)，所述的座架(1)上固定有立体空间移动架(2)，所述的立体空间移动架(2)包括X导向轨(21)、X转接板(22)、Y导向轨(23)、Y转接板(24)、Z导向轨(25)和Z转接板(26)，所述的X导向轨(21)、Y导向轨(23)和Z导向轨(25)安装各自的驱动电机，所述的Z导向轨(25)固定在座架(1)上，Z转接板(26)能在Z导向轨驱动电机的带动下，在Z导向轨(25)上滑动，Y导向轨(23)固定在Z转接板(26)上，Y转接板(24)能在Y导向轨驱动电机的带动下，在Y导向轨(23)上滑动，X导向轨(21)固定在Y转接板(24)上，X转接板(22)能在X导向轨驱动电机的带动下，在X导向轨(21)上滑动，所述的X转接板(22)上固定纤维喷涂装置(3)，所述的纤维喷涂装置(3)包括能将纤维进行树脂浸润的纤维预处理装置(31)和纤维挤出头(32)，所述的纤维预处理装置(31)与纤维挤出头(32)连接，所述的纤维喷涂装置(3)能随着X转接板(22)移动，使纤维挤出头(32)正对着材料成型区(12)，所述的座架(1)上还安装有基板(4)，所述的基板(4)通过基板导向轨(41)与基板电机传动连接，基板(4)位于材料成型区(12)的正上方，所述的基板电机能带动基板(4)下移，使基板(4)压在材料成型区(12)上，所述的工作面(11)上开设有刮刀直线导轨(5)，所述的刮刀直线导轨(5)上安装有刮刀(51)，所述的刮刀(51)能在刮刀直线导轨(5)上滑动，从而横向越过材料成型区(12)的上部，所述的刮刀(51)与材料成型区(12)的上表面具有一个连续纤维增韧陶瓷基复合材料分层厚度的距离，所述的材料成型区(12)的下方固定有UV-LED光源(6)，所述的UV-LED光源(6)的灯光能对材料成型区(12)进行照射，连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置包括控制装置，所述的控制装置与X导向轨(21)、Y导向轨(23)和Z导向轨(25)的驱动电机、基板电机以及UV-LED光源(6)连接并控制它们的运作。
2.根据权利要求1所述的连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置，其特征是：所述的UV-LED光源(6)的亮度可调。
3.根据权利要求2所述的连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置，其特征是：所述的材料成型区(12)为工作面(11)上的一平底凹槽，所述的材料成型区(12)的深度与一个连续纤维增韧陶瓷基复合材料分层厚度的距离相等，所述的刮刀(51)的刀面与工作面(11)齐平。
4.根据权利要求3所述的连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置，其特征是：所述的刮刀(51)的高度可调，所述的材料成型区(12)的深度可调。
5.根据权利要求4所述的连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置，其特征是：所述的X导向轨(21)、Y导向轨(23)和Z导向轨(25)的驱动电机、基板电机均固定在座架(1)中。
6.根据权利要求5所述的连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置，其特征是：所述的控制装置为计算机。
7.如权利要求1所述的连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置制造连续纤维增韧陶瓷基复合材料的方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤一：由计算机完成UV-LED光源(6)的截面数据编辑、纤维喷涂装置(3)与刮刀(51)的路径文件编辑；
步骤二：在材料成型区(12)中注入高粘度流体陶瓷复合材料；
步骤三：计算机程序控制刮刀(51)进行平面运动，使刮刀(51)从材料成型区(12)上方横向划过，将材料成型区(12)内的高粘度流体陶瓷复合材料整平；
步骤四：计算机程序控制立体空间移动架(2)运作，使纤维挤出头(32)进入材料成型区(12)，长纤维穿过纤维预处理装置(31)浸渍树脂后，进入纤维挤出头(32)，被纤维挤出头(32)规律的铺设在高粘度流体陶瓷复合材料表面；
步骤五：计算机程序控制立体空间移动架(2)运作，使纤维挤出头(32)退出材料成型区(12)；
步骤六：计算机程序控制基板电机运作，基板(4)下移至材料成型区(12)，将铺设了纤维的高粘度流体陶瓷复合材料压平，使高粘度流体陶瓷复合材料的厚度为一个分层的厚度；
步骤七：计算机程序控制UV-LED光源(6)对高粘度流体陶瓷复合材料进行曝光处理，使铺设了纤维的高粘度流体陶瓷复合材料固化在基板(4)的下表面；
步骤八：计算机程序控制基板(4)上移，将固化后的高粘度流体陶瓷复合材料带离材料成型区(12)，完成了一层连续纤维增韧陶瓷基复合材料分层的制备；
步骤九：以下表面固化有连续纤维增韧陶瓷基复合材料分层的基板(4)为基板整体，重复步骤二至八，直至基板(4)的下表面固化有若干层连续纤维增韧陶瓷基复合材料分层，完成连续纤维增韧陶瓷基复合材料的制备。
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