CN110293678A - 一种连续碳纤维增强蜂窝结构的3d打印制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续碳纤维增强蜂窝结构的3D打印制备方法，在3D打印机的进料管上设置碳纤维入口；3D打印机包括与进料管贯通的散热管和喉管，散热管和喉管的尺寸符合以下要求：设散热管上供基体材料通过的内孔直径的增加量为A，喉管的直径的增加量为A，连续碳纤维的直径为B，则A＝B+(0.25～0.65)mm；设定打印路径为连续蜂窝结构，计算3D打印机的挤出量，再向3D打印机输入挤出量和打印路径；将基体材料从进料管加入，同时将连续碳纤维从碳纤维入口加入，即打印得到连续碳纤维增强蜂窝结构。解决了现有技术无法3D打印连续碳纤维增强蜂窝结构的问题。

Description

一种连续碳纤维增强蜂窝结构的3D打印制备方法
【技术领域】
本发明属于复合材料制备和3D打印技术领域，具体涉及一种连续碳纤维增强蜂窝结构的3D打印制备方法。
【背景技术】
复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。复合材料中连续碳纤维增强复合材料应用广泛。传统连续碳纤维增强复合材料零件是由树脂等原料和碳纤维等连续碳纤维在模具的作用下成形并通过固化、脱模、修整等过程完成，该过程成本高、工作量大、工艺复杂、且不适合单件、小批量零件生产。
碳纤维蜂窝结构强度高，吸能效果好，在航空航天、汽车等领域应用前景广泛，目前制备碳纤维蜂窝结构一般先拉挤成单个六边形件或连续半六边形子件，然后通过六边形子件进行胶粘，形成蜂窝结构，此种方法工序复杂、在子件制备及胶粘过程中工作量大。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种连续碳纤维增强蜂窝结构的3D打印制备方法，以解决现有技术无法3D打印连续碳纤维增强蜂窝结构的问题。
本发明采用以下技术方案：一种连续碳纤维增强蜂窝结构的3D打印制备方法，包括以下内容：
在3D打印机的进料管上设置碳纤维入口；
3D打印机包括与进料管贯通的散热管和喉管，散热管和喉管的尺寸符合以下要求：设散热管上供基体材料通过的内孔直径的增加量为A，喉管的直径的增加量为A，连续碳纤维的直径为B，则A＝B+(0.25～0.65)mm；
设定打印路径为连续蜂窝结构，计算3D打印机的挤出量，再向3D打印机输入挤出量和打印路径；将基体材料从进料管加入，同时将连续碳纤维从碳纤维入口加入，即打印得到连续碳纤维增强蜂窝结构。
进一步的，碳纤维入口的直径为3～5mm。
进一步的，3D打印机的挤出量为VE，其计算公式为：
其中，W表示打印宽度,H表示层高,Vp表示打印速度，d表示基体材料3的平均直径，W1表示碳纤维横截面宽度；H1表示碳纤维横截面高度；α表示碳纤维和基体材料的浸渍程度。
进一步的，3D打印机的参数如下：打印速度为50～400mm/min，打印温度为180～220℃，打印层高为0.2mm～0.8m，打印底板温度为0～70℃，挤出宽度为0.6～1.5mm。
进一步的，将打印路径设置为连续蜂窝夹层结构，即打印得到连续碳纤维增强蜂窝夹层结构。
本发明的有益效果是：通过3D打印制造连续碳纤维增强蜂窝结构，可针对不同形状，不同大小的蜂窝孔的蜂窝夹层结构进行打印；蜂窝夹层结构的型芯与夹层板一次成型，成型方法简单；避免了模具的使用，制造成本低；避免了胶粘的步骤，蜂窝结构性能更加稳定。
【附图说明】
图1是本发明连续碳纤维增强蜂窝结构的3D打印制备方法中3D打印机喷头部分的结构示意图；
图2是本发明连续碳纤维增强蜂窝结构的3D打印制备方法中涉及的蜂窝结构或蜂窝夹层结构中蜂窝部分三维模型图；
图3是本发明连续碳纤维增强蜂窝结构的3D打印制备方法中涉及的蜂窝结构或蜂窝夹层结构中单层蜂窝部分的打印路径图；
图4是本发明连续碳纤维增强蜂窝结构的3D打印制备方法中涉及的连续碳纤维增强蜂窝结构和一般蜂窝结构的刚度对比图。
其中，1.进料管，2.进料齿轮，3.基体材料，4.连续碳纤维，5.碳纤维入口，6.散热管，7.喉管，8.加热棒，9.加热块，10.打印喷嘴，11.打印机底板。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种连续碳纤维增强蜂窝结构的3D打印制备方法，包括以下内容：为了使用传统3D打印机实现连续碳纤维的打印，需对传统打印机进行改装。现有的3D打印机的加料口处有进料齿轮，基体材料3会从进料齿轮进入，再沿着进料管1、散热管6和喉管7前进并从打印喷嘴10挤出。如果连续碳纤维从进料口进入的话会对连续碳纤维造成损伤，所以要设置连续碳纤维加料口。如图1所示，具体是在3D打印机的进料管1上开设碳纤维入口5；增大喉管7的直径，增大散热管6上供基体材料3通过的内孔的直径，以提供基体材料3和连续碳纤维4同时通过的空间。图2为蜂窝结构或蜂窝夹层结构中蜂窝部分的三维模型图，该模型可通过需求通过三维建模软件设计，也可通过拓扑优化等优化方法优化而来。图3是根据蜂窝结构及蜂窝夹层结构大小设计的打印路径，该打印路径连续，通过该打印路径即可实现对蜂窝结构及蜂窝夹层结构夹心部分的打印。设定打印路径为连续蜂窝结构或连续蜂窝夹层结构后，再计算3D打印机的挤出量，并向3D打印机输入挤出量和打印路径；将基体材料3从进料管1加入，同时将连续碳纤维4从碳纤维入口5加入，即可打印得到连续碳纤维增强蜂窝结构或连续碳纤维增强蜂窝夹层结构。连续碳纤维4为0.5K～3K的碳纤维束。
由于原有的散热管6和喉管7的直径只能容纳基体材料3的通过，本发明的连续碳纤维增强蜂窝结构采用基体材料3添加连续碳纤维4，那么就需要将散热管6和喉管7的直径扩大，增加用于连续碳纤维4通过的空间，所以散热管6和喉管7的直径尺寸是根据所选择的碳纤维材料的直径来确定改进量的。但是改进量均是根据所使用的续碳纤维4的直径尺寸来确定的。具体为，设散热管6上供基体材料3通过的内孔直径的增加量为A，设连续碳纤维4的直径为B，则A＝B+(0.25～0.65)mm；设喉管7的直径增加量为A，连续碳纤维4的直径为B，则A＝B+(0.25～0.65)mm。
连续碳纤维4从碳纤维入口5进入，碳纤维入口5处的直径尺寸要大于连续碳纤维4的直径尺寸，通常将该碳纤维入口5的直径设置为大于3～5mm。
本发明在3D打印时添加了连续碳纤维4，占用了打印材料通道的一部分体积，所以实际上3D打印的挤出速度应当适量降低，因此需重新计算打印过程中的挤出量，3D打印机的挤出量为VE，其计算公式为：
其中，W表示打印宽度,H表示层高,Vp表示打印速度，d表示基体材料3的平均直径，W1表示碳纤维横截面宽度；H1表示碳纤维横截面高度；α表示碳纤维和基体材料的浸渍程度。根据需要打印的蜂窝结构，可以确定上述这些参数，并计算出3D打印机的挤出量。
3D打印机的参数设置入下：打印速度为50～400mm/min，优选打印速度100mm/min，打印温度为180～220℃，优选打印温度215℃，打印层高0.2mm～0.8m，优选打印层高0.4mm，打印底板温度0～70℃，优选打印底板温度40℃，挤出宽度0.6～1.5mm，优选的选用挤出宽度0.8mm。同时，打印过程中高速空行程，且打印速度设置为100mm/min；打印路径应连续；打印过程中打印机底板11的温度不宜过高，最好设置为50℃；打印过程中风扇应开到最大，以加快打印件的凝固；打印温度设置为215℃，以加快融化后的基体材料3与连续碳纤维4的融。
打印过程中为了防止连续碳纤维4带着基体材料3移动，在打印机的底板和热床上均涂抹材质为PVP的胶水。
实施例：
步骤S1：在3D打印机的进料管1上开设碳纤维入口5，供连续碳纤维的进出。其中，碳纤维使用1K的碳纤维束。取基体材料打印线材的直径为1.75mm。
步骤S2：增大喉管7的直径，增大散热管6上供基体材料3通过的内孔的直径，以提供基体材料3和连续碳纤维4同时通过的空间。取打印喷头直径为1.5mm，喉管及散热管中间孔最小处直径为2.5mm。
步骤S3：由于碳纤维的引入，由于碳纤维的引入占据了一部分截面面积，所以实际上连续碳纤维增强3D打印的挤出速度应当适量降低，因此需重新计算打印过程中的挤出量。
挤出量的计算公式为：
式中：W打印宽度(mm)，H表示层高(mm)，Vp表示打印速度，d表示基体材料线材的平均直径，W1表示碳纤维横截面宽度(mm)；H1表示碳纤维横截面高度(mm)；α表示碳纤维和基体材料的浸渍程度。取W1＝0.9mm，H1＝0.08mm，α＝0.3。
步骤S4:根据需求通过三维建模软件设计蜂窝夹层结构模型或根据拓扑优化的模型设计蜂窝夹层结构的打印路径，并对打印参数进行优化，包括：
(1)打印过程中高速空行程，且打印速度要慢；
(2)打印路径应连续；
(3)打印过程中热床温度不宜过高；
(4)打印过程中风扇应开到最大，以加快打印件的凝固；
(5)打印温度要高，以加快融化后的PLA与碳纤维融合；
步骤S5:打印过程中为了防止连续碳纤维带着基体材料移动，应在打印的边缘涂抹胶水。
本发明还提供了一种连续碳纤维增强蜂窝结构，采用本发明的制备方法制得。连续碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。
采用本发明的制备方法将碳纤维和树脂结合而3D打印成复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的功能材料。图4是连续碳纤维增强蜂窝结构和一般蜂窝结构的刚度对比。从图4中可以看出连续碳纤维增强蜂窝结构的压缩强度远高于常规蜂窝结构，导致这一变化的主要原因在于碳纤维优良的力学性能。对于连续碳纤维增强蜂窝结构，试样在横向上具有最高的比刚度，最高比刚度可以达到425kN·m/kg，该数值是常规蜂窝结构轴向比刚度的3.4倍和横向比刚度的2.6倍。纤维增强蜂窝的横向刚度最高主要是因为蜂窝横向与纤维的长度方向相同，在该方向受力时，蜂窝材料能够完全地利用纤维沿长度方向的高刚度得到增强的效果。

Claims (6)

1.一种连续碳纤维增强蜂窝结构的3D打印制备方法，其特征在于，包括以下内容：
在3D打印机的进料管(1)上设置碳纤维入口(5)；
所述3D打印机包括与进料管(1)贯通的散热管(6)和喉管(7)，所述散热管(6)和所述喉管(7)的尺寸符合以下要求：设所述散热管(6)上供基体材料(3)通过的内孔直径的增加量为A，所述喉管(7)的直径的增加量为A，所述连续碳纤维(4)的直径为B，则A＝B+(0.25～0.65)mm；
设定打印路径为连续蜂窝结构，计算3D打印机的挤出量，再向3D打印机输入挤出量和打印路径；将基体材料(3)从进料管(1)加入，同时将连续碳纤维(4)从碳纤维入口(5)加入，即打印得到连续碳纤维增强蜂窝结构。
2.如权利要求1所述的一种连续碳纤维增强蜂窝结构的3D打印制备方法，其特征在于，所述碳纤维入口(5)的直径为3～5mm。
3.如权利要求1或2所述的一种连续碳纤维增强蜂窝结构的3D打印制备方法，其特征在于，所述3D打印机的挤出量为VE，其计算公式为：
其中，W表示打印宽度,H表示层高,Vp表示打印速度，d表示基体材料3的平均直径，W1表示碳纤维横截面宽度；H1表示碳纤维横截面高度；α表示碳纤维和基体材料的浸渍程度。
4.如权利要求1或2所述的一种连续碳纤维增强蜂窝结构的3D打印制备方法，其特征在于，所述3D打印机的参数如下：打印速度为50～400mm/min，打印温度为180～220℃，打印层高为0.2mm～0.8m，打印底板温度为0～70℃，挤出宽度为0.6～1.5mm。
5.如权利要求1或2所述的一种连续碳纤维增强蜂窝结构的3D打印制备方法，其特征在于，将所述打印路径设置为连续蜂窝夹层结构，即打印得到连续碳纤维增强蜂窝夹层结构。
6.一种连续碳纤维增强蜂窝结构，其特征在于，采用所述权利要求1-5中任意一项的制备方法制得。
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