CN109760336B - 一种预置纤维棒z向增强连续纤维复合材料增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种预置纤维棒Z向增强连续纤维复合材料增材制造方法，先制备纤维棒，然后用纯树脂熔融挤出打印基板；再按照纤维棒预置要求规划打印路径并实时预置纤维棒：在基板打印结束后，打印端进行连续纤维增强树脂基复合材料的挤出成形3D打印，按照强度需求评估纤维棒的数量及分布方式，当打印端在经过纤维棒的预留位置时，按照设定插补路径避开预留位置；当打印端经过预留位置且保证与预置热枪之间不会出现机械干涉的情况下，预置热枪在预留位置打入纤维棒；按照纤维棒长度，重复打印直到达到指定厚度的成形件；本发明通过在挤出成形打印过程中预置Z向纤维棒，提高Z向力学性能，降低复合材料制件的各向异性。
Description
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种预置纤维棒Z向增强连续纤维复合材料增材制造方法。
背景技术
连续纤维复合材料是航空航天、国防军工等领域的重要支撑，自20世纪80年代起，从连续纤维复合材料在美国航空制造领域的原理开发到90年代多个国家的技术展开和成型应用，发展至今，美国的Arevo Labs就已经能够利用纤维铺放技术实现宽达8m的连续纤维复合材料成型，Electroimpact已经将自己的连续纤维铺放设备用于NASA的建造火星等在人航天器的零部件打印以及波音777X机翼结构打印中，而我国多个航天航空院所和高校展开的连续纤维复合材料制造(田小永等.中国专利ZL2014103256503，2014年；单忠德等.中国专利CN106515041A，2017年)的迅速发展等都预示着这项技术新时代的迅猛发展。而除过针对热固性树脂及部分热塑性树脂基体的连续纤维铺放技术，基于材料挤出工艺制造的连续纤维增强热塑性树脂基复合材料成为了新的发展趋势和重点。它相比层压、缠绕等工艺，可成形更复杂结构，且工艺简单容易实现。但是现有的连续纤维增强复合材料工艺均存在着以下核心技术瓶颈：
因为“层层叠加”的制造特性，使得现有成形件存在着极大的层间结合差的问题，而通过连续纤维在X-Y平面内(即层内)的分布能够有效提升X-Y平面内的各项力学性能，Z向仅依靠树脂间粘结作用成形的制件，存在极大的各向异性问题，限制了复合材料的优势和纤维增强的潜力。
发明内容
为了克服上述技术瓶颈，本发明的目的在于提供一种预置纤维棒Z向增强连续纤维复合材料增材制造方法，通过在挤出成形打印过程中预置Z向纤维棒，提高Z向力学性能，降低复合材料制件的各向异性。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种预置纤维棒Z向增强连续纤维复合材料增材制造方法，包括以下步骤：
1)制备纤维棒1：利用连续纤维复合材料熔融挤出成形或连续纤维螺杆挤出工艺将树脂浸渍入纤维束内，在牵引力的作用下经过连续纤维挤出喷嘴后迅速冷却固化形成树脂102浸渍并且包裹着纤维束101的纤维棒1；
2)打印基板2：用纯树脂熔融挤出基板2；
3)按照纤维棒1预置要求规划打印路径并实时预置纤维棒1：在基板2打印结束后，打印端4进行连续纤维增强树脂基复合材料的挤出成形3D打印，按照强度需求评估纤维棒1的数量及分布方式，当打印端4在经过纤维棒1的预留位置时，按照设定插补路径避开预留位置；当打印端4经过预留位置且保证与预置热枪3之间不会出现机械干涉的情况下，预置热枪3在预留位置打入纤维棒1；
4)按照纤维棒1长度，重复步骤3)直到达到指定厚度的成形件。
调整所述步骤1)的树脂的挤出量或者挤出速度，能够调节所需预置纤维棒1的直径。
所述步骤1)使用的纤维和树脂依据实际应用场合决定，纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维或玄武岩纤维。
所述的步骤1)纤维棒1的长度则根据制件层厚设置，在打印中实时剪断。
所述的步骤3)预留位置大小，根据纤维棒1的直径和预置热枪3来决定。
所述的步骤3)中预置热枪3打出纤维棒1的过程为：将连续的纤维棒1送入预置热强3内部，利用预置热枪3自带的滚轮302不断送出纤维棒1，当纤维棒1到达指定长度时，利用预置热枪3自带的剪切装置303实时剪断获得指定长度的纤维棒1，纤维棒1在挤出插入制件的过程中，预置热枪3的枪头301产生热量辅助熔融制件表层，使得纤维棒1在经过枪头301时实现二次塑形和纤维束101和树脂102的充分浸渍和结合。
本发明的有益效果如下：
本发明根据连续纤维增强热塑性树脂基复合材料挤出成形过程中的工艺特点，进行实时纤维棒1的预置，并配合优化的路径规划，一方面解决了因挤出成形层层叠加而造成的层间结合性能差，即明显的各向异性；另一方面则避免了部分在打印后进行液压枪打钉Z向增强破坏面内结构形成应力集中的缺点。操作工艺简单，成形效率高，充分利用热塑性材料高温熔融的特点，有望实现纤维棒在Z向的零界面损伤分布。其次，可以根据强度需求分析，灵活控制纤维棒1的尺寸、数量，亦可通过载荷分析及拓扑优化差异化分布纤维棒1，实现更加精准的Z向增强提高。
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样件的纤维棒1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示意图。
图2为纤维棒1的示意图。
图3为基板2打印后的示意图。
图4为预置热枪3挤压纤维棒1的示意图。
图5为多层纤维棒1分布增强的示意图。
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。
一种预置纤维棒Z向增强连续纤维复合材料增材制造方法，包括以下步骤：
1)参照图1和图2，制备纤维棒1：选取材料T300(日本东丽)碳纤维束101和热塑性树脂尼龙PA6 102为对象，利用现有连续纤维复合材料熔融挤出成形或连续纤维螺杆挤出工艺将尼龙PA6 102浸渍入碳纤维束101内，在一定牵引力的作用下经过连续纤维挤出喷嘴后迅速冷却固化形成PA6 102浸渍并且包裹着碳纤维束101的纤维棒1，调整PA6的挤出量或者挤出速度来实现所需预置纤维棒1的直径的调节，纤维棒1直径约0.8mm；实际打印层厚约0.3mm，扫描间距约1.0mm，纤维棒1的长度设置为1.2mm，在打印过程中实时剪断，制件成形打印尺寸设定为长80mm、宽30mm、厚10mm；
2)参照图1和图3，打印基板2：纤维棒1需要在一定厚度的制件上预置，因此，在预置纤维棒1之前，需要首先纯树脂基板2厚度略大于实际复合材料打印层厚，设定为约0.5mm；
3)参照图1和图4，按照纤维棒1预置要求规划打印路径并实时预置直径0.8mm长1.2mm的纤维棒1：在基板2打印结束后，打印端4进行连续纤维增强树脂基复合材料的挤出成形3D打印，按照强度需求设定纤维棒1每层内分布约20根，沿长度方向(X方向)分布两行，单行内相邻两根纤维棒1之间的距离约8mm，两相邻行间的距离为10mm；根据纤维棒1的直径和预置热枪3前端枪口301尺寸，确定预留位置大小约为直径3mm的圆；因此，当打印端4在经过纤维棒1的预留位置时，以预留纤维棒1的中心为圆心，按照直径约3mm的圆生成插补路径，从而避开预留位置；当打印端4经过预留位置且保证与预置热枪3之间不会出现机械干涉的情况下，预置热枪3在预留位置打入纤维棒1；预置热枪3打出纤维棒1的过程为，将连续的纤维棒1送入预置热强3内部，利用预置热枪3自带的滚轮302不断送出纤维棒1，当纤维棒1到达1.2mm长度时，利用预置热枪3自带的剪切装置303实时剪断获得指定长度的纤维棒1，避免了纤维棒1在打印过程中的不断装填，而纤维棒1在插入制件的过程中，预置热枪3的枪头301会产生一定热量一方面辅助熔融制件表层，另一方面使得纤维棒1在经过枪头301时实现二次塑形和纤维束101和树脂102的充分浸渍和结合；
4)参照图5，按照纤维棒1长度每打印两层即沿Z向叠放复合材料0.6mm，预置一层纤维棒1，重复步骤3)直到达到10mm厚度的成形件；在打印过程中，需保证纤维棒1在Z向的相邻层间出现位置偏移交错及Z向增强区域的重叠，从而避免新的层间剥离问题的出现。
Claims (6)
1.一种预置纤维棒Z向增强连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备纤维棒(1)：利用连续纤维复合材料熔融挤出成形或连续纤维螺杆挤出工艺将树脂浸渍入纤维束内，在牵引力的作用下经过连续纤维挤出喷嘴后迅速冷却固化形成树脂(102)浸渍并且包裹着纤维束(101)的纤维棒(1)；
2)打印基板(2)：用纯树脂熔融挤出打印基板(2)；
3)按照纤维棒(1)预置要求规划打印路径并实时预置纤维棒(1)：在基板(2)打印结束后，打印端(4)进行连续纤维增强树脂基复合材料的挤出成形3D打印，按照强度需求评估纤维棒(1)的数量及分布方式，当打印端(4)在经过纤维棒(1)的预留位置时，按照设定插补路径避开预留位置；当打印端(4)经过预留位置且保证与预置热枪(3)之间不会出现机械干涉的情况下，预置热枪(3)在预留位置打入纤维棒(1)；
4)按照纤维棒(1)长度，重复步骤3)直到达到指定厚度的成形件。
2.根据权利要求1所述的一种预置纤维棒Z向增强连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于：调整所述步骤1)的树脂的挤出量或者挤出速度，能够调节所需预置纤维棒(1)的直径。
3.根据权利要求1所述的一种预置纤维棒Z向增强连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于：所述步骤1)使用的纤维和树脂依据实际应用场合决定，纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维或玄武岩纤维。
4.根据权利要求1所述的一种预置纤维棒Z向增强连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于：所述的步骤1)纤维棒(1)的长度则根据制件层厚设置，在打印中实时剪断。
5.根据权利要求1所述的一种预置纤维棒Z向增强连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于：所述的步骤3)预留位置大小，根据纤维棒(1)的直径和预置热枪(3)来决定。
6.根据权利要求1所述的一种预置纤维棒Z向增强连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于：所述的步骤3)中预置热枪(3)打出纤维棒(1)的过程为：将连续的纤维棒(1)送入预置热强(3)内部，利用预置热枪(3)自带的滚轮(302)不断送出纤维棒(1)，当纤维棒(1)到达指定长度时，利用预置热枪(3)自带的剪切装置(303)实时剪断获得指定长度的纤维棒(1)，纤维棒(1)在挤出插入制件的过程中，预置热枪(3)的枪头(301)产生热量辅助熔融制件表层，使得纤维棒(1)在经过枪头(301)时实现二次塑形和纤维束(101)和树脂(102)的充分浸渍和结合。
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