CN109291461A - 一种层间微细棒增强连续纤维增强复合材料增材制造方法 - Google Patents

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朱伟军
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Abstract

一种层间微细棒增强连续纤维增强复合材料增材制造方法，先完成复合材料的制备和成型的一体化过程，得到目标制件；再由纤维浸渍树脂，经微径杆拉挤工艺成型，经过裁剪制得微细棒；然后将微细棒材装载入射钉枪内，射入已预先经过环境加热软化过的目标制件中；如果目标制件为厚度小于3cm的板类零件，则只需要完成一次微细棒的嵌入；否则需要完成一次以上微细棒的嵌入，直至目标制件厚度达到目标要求；最后将植入过微细棒的目标制件放入恒温腔室内进行加热后处理，以利于目标制件与微细棒形成较好的结合界面；本发明实现了各向性能均衡或可控的高性能连续纤维增强复合材料挤出成型构件的快速制造。

Description

一种层间微细棒增强连续纤维增强复合材料增材制造方法
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种层间微细棒增强连续纤维增强复合材料增材制造方法。
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，依然存在材料层间结合强度、性能各向异性等问题，限制了复合材料面内力学优势的发挥，特别是航空航天领域，对复合材料的三维增强技术的需求尤为迫切。
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层间微细棒增强连续纤维增强复合材料增材制造方法，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的基础上，实现了对于复合材料的层间增强。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种层间微细棒增强连续纤维增强复合材料增材制造方法，包括以下步骤：
a)复合材料的制造：利用连续纤维增强复合材料挤出成型的增材制造工艺，完成复合材料的制备和成型的一体化过程，得到目标制件1，目标制件1的具体参数由建模模型决定；
b)微细棒的制备：由纤维浸渍树脂，经微径杆拉挤工艺成型，即在牵引装置的作用下经过模具加温预浸并在烘道中冷却固化后收卷，经过裁剪制得微细棒3；
所使用的纤维和树脂种类由实际应用的场合和目标制件1的材料种类来决定，纤维包括碳纤维和芳纶纤维；
c)微细棒的嵌入：将微细棒3材装载入射钉枪2内，利用高压气流的作用，将微细棒3射入已预先经过环境加热软化过的目标制件1中，植入的密度和深度由实际应用需求决定；
d)复合材料的循环增强：如果目标制件1为厚度小于3cm的板类零件，则只需要完成一次微细棒的嵌入；如果目标制件1是厚度大于3cm的体状零件，由于微细棒3的长度受限，需要打印厚度小于等于3cm时就嵌入一次微细棒3，再继续打印小于等于3cm的厚度后继续嵌入微细棒3，具体的循环打印厚度由实际操作中所使用的微细棒3的长度决定，直至目标制件1厚度达到目标要求；
e)层间增强制件的后处理：将植入过微细棒3的目标制件1放入恒温腔室内进行加热后处理，加热温度维持于基体树脂的玻璃化温度以上5分钟以上，以利于目标制件1与微细棒3形成较好的结合界面。
所述的微细棒3的直径参数通过改变模口口径来控制，直径在0.2～1.5mm之间，直径越小对材料面内性能的损伤越小，但成本相对较高，在层板中微细棒3的体积分数控制在0.5％～4％。
所述的微细棒3的长度则是根据目标制件1自身特点和应用的需要来裁剪，长度不可长于3cm。
循环打印和嵌入微细棒3的过程中，每次嵌入时的微细棒3和前一次嵌入的微细棒3要有公共层厚区域，以保证增强效果。
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微细棒3嵌入式层间增强技术，不但解决了因挤出成型采用层层累加的成型方式以及因加入纤维后引起的目标制件1层间结合性能较差的问题，也将传统复合材料层间增强的技术思路引入到增材制造领域当中，简化了在传统制造过程中复杂的工序，在提高打印样件性能的同时提高了效率。与此同时，在引入机械臂或其他自动化设备以后，可以完全实现打印过程中的自动化微细棒3层间嵌入，更加精准的控制微细棒3嵌入深度、排布密度等要素，并适用于形状表面更加复杂的零部件，完成零部件制造与增强的一体化过程，进一步优化制件性能和制件效率。
本发明可在连续纤维增强复合材料熔融挤出成型的阶段性过程中实现对目标制件1的微细棒3层间嵌入操作，实现了各向性能均衡或可控的高性能连续纤维增强复合材料挤出成型构件的快速制造。
附图说明
图1为本发明方法的原理图。
图2为实施例1板类零件层间增强完成后的示意图。
图3为实施例2体状零件层间一次增强的示意图。
图4为实施例2体状零件层间循环打印的示意图。
图5为实施例2体状零件层间二次增强的示意图。
图6为实施例2体状零件增强完成后的示意图。
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，对于板状零件，参照图1和图2，一种层间微细棒增强连续纤维增强复合材料增材制造方法，包括以下步骤：
a)复合材料的制造：选用T300的1000丝束的碳纤维和聚乳酸(PLA)，利用连续纤维增强复合材料挤出成型的增材制造工艺，采用2mm的扫描间距、0.5mm的层间厚度和2mm/s的扫描速度，完成复合材料的制备和成型的一体化过程，制得长100mm、宽100mm和厚4mm的复合材料板状目标制件4；
b)微细棒的制备：分别采用T300的3000丝束的碳纤维增强聚乳酸(PLA)，经微径杆拉挤工艺成型，即在牵引装置的作用下经过模具加温预浸并在烘道中冷却固化后收卷，经过统一裁剪过后制得长度为4mm，直径为1mm的微细棒3；
c)微细棒的嵌入：将微细棒3材装载入射钉枪2内，利用高压气流的作用，将微细棒3射入已预先经过环境加热软化过的复合材料板状目标制件4中，植入的微细棒3的间隔为6mm；
d)层间增强制件的后处理：将植入过微细棒3的复合材料板状目标制件4放入恒温腔室内进行加热后处理，加热温度维持于65℃～100℃间5～10分钟，以利于复合材料板状目标制件4与微细棒3形成较好的结合界面。
实施例2，对于体状零件，参照图1、图3、图4、图5和图6，一种层间微细棒增强连续纤维增强复合材料增材制造方法，包括以下步骤：
a)复合材料的制造：选用T300的1000丝束的碳纤维和聚乳酸(PLA)，利用连续纤维增强复合材料挤出成型的增材制造工艺，采用2mm的扫描间距、0.8mm的层间厚度和2mm/s的扫描速度，完成复合材料的制备和成型的一体化过程，制得长50mm、宽50mm和厚4.8mm的复合材料体状制件51，最终目标是制得长50mm、宽50mm和厚48mm的复合材料体状目标制件5；
b)微细棒的制备：分别采用T300的6000丝束的碳纤维增强聚乳酸(PLA)，经微径杆拉挤工艺成型，即在牵引装置的作用下经过模具加温预浸并在烘道中冷却固化后收卷；经过统一裁剪过后制得长度为4.8mm，直径为1mm的微细棒3；
c)微细棒的嵌入：将第一微细棒31材装载入射钉枪2内，利用高压气流的作用，将第一微细棒31射入已预先经过环境加热软化过的复合材料体状制件51中，植入的第一微细棒31的间隔为7mm；
d)复合材料的循环增强：复合材料体状目标制件5是拥有较大厚度的体状零件，由于微细棒3的长度受限，完成第一次嵌入后，继续打印四层(3.2mm)后，得到更厚的复合材料体状制件52，再继续继续嵌入第二微细棒32，嵌入深度为4.8mm，如此往复循环直至制件厚度达到48mm；需要注意的是，循环打印和嵌入微细棒3的过程中，每次嵌入时的微细棒3和前一次嵌入的微细棒3要有两层(1.6mm)的公共层厚区域，以保证增强效果；
e)层间增强制件的后处理：将植入过微细棒3的复合材料体状目标制件5放入恒温腔室内进行加热后处理，加热温度维持于65℃～100℃间5～10分钟，以利于复合材料体状目标制件5与微细棒3形成较好的结合界面。

Claims (4)

1.一种层间微细棒增强连续纤维增强复合材料增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)复合材料的制造：利用连续纤维增强复合材料挤出成型的增材制造工艺，完成复合材料的制备和成型的一体化过程，得到目标制件(1)，目标制件(1)的具体参数由建模模型决定；
b)微细棒的制备：由纤维浸渍树脂，经微径杆拉挤工艺成型，即在牵引装置的作用下经过模具加温预浸并在烘道中冷却固化后收卷，经过裁剪制得微细棒(3)；
所使用的纤维和树脂种类由实际应用的场合和目标制件1的材料种类来决定，纤维包括碳纤维和芳纶纤维；
c)微细棒的嵌入：将微细棒(3)材装载入射钉枪(2)内，利用高压气流的作用，将微细棒(3)射入已预先经过环境加热软化过的目标制件(1)中，植入的密度和深度由实际应用需求决定；
d)复合材料的循环增强：如果目标制件(1)为厚度小于3cm的板类零件，则只需要完成一次微细棒的嵌入；如果目标制件(1)是厚度大于3cm的体状零件，需要打印厚度小于等于3cm时就嵌入一次微细棒(3)，再继续打印小于等于3cm的厚度后继续嵌入微细棒(3)，具体的循环打印厚度由实际操作中所使用的微细棒(3)的长度决定，直至目标制件(1)厚度达到目标要求；
e)层间增强制件的后处理：将植入过微细棒(3)的目标制件(1)放入恒温腔室内进行加热后处理，加热温度维持于基体树脂的玻璃化温度以上5分钟以上。
2.根据权利要求1所述的一种层间微细棒增强连续纤维增强复合材料增材制造方法，其特征在于：所述的微细棒(3)的直径参数通过改变模口口径来控制，直径在0.2～1.5mm之间，在层板中微细棒(3)的体积分数控制在0.5％～4％。
3.根据权利要求1所述的一种层间微细棒增强连续纤维增强复合材料增材制造方法，其特征在于：所述的微细棒(3)的长度则是根据目标制件(1)自身特点和应用的需要来裁剪，长度不可长于3cm。
4.根据权利要求1所述的一种层间微细棒增强连续纤维增强复合材料增材制造方法，其特征在于：循环打印和嵌入微细棒(3)的过程中，每次嵌入时的微细棒(3)和前一次嵌入的微细棒(3)要有公共层厚区域，以保证增强效果。
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