CN110370630B - 一种复合材料三维织造与连续纤维增材制造的复合成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合材料三维织造与连续纤维增材制造的复合成形方法，属于先进制造技术领域。本发明方法的步骤为：对三维构件的数据进行离散处理、工艺参数设定等，得到打印和织造所需的制造数据。对制造环境进行加热保温。利用三维织造方法铺放连续纤维，利用连续纤维增材制造的方法在已铺放纤维表面打印纤维/树脂混合物，此时将纤维竖直拉紧，在无打印侧进行打印，纤维从上方和侧方铺放纤维，形成类层层贯穿角连锁织物，重复上述步骤，完成三维构件的制造。本发明在Z向引入连续纤维，解决了打印结构件Z向力学性能较差等问题。

Description

一种复合材料三维织造与连续纤维增材制造的复合成形方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料三维织造与连续纤维增材制造的复合成形方法，属于先进制造技术领域。
背景技术
连续纤维增强复合材料，以其优异的比刚度、比强度、可设计性，常用于航空航天、国防军工、高铁等领域。长久以来，二维结构复合材料由于制作简单、成形工艺及设备成熟，是复合材料结构中应用最为广泛的结构之一。
近年来，研究人员采用连续纤维复合材料的增材制造方法对连续纤维增强复合材料进行制造，解决了传统连续纤维增强复合材料制造过程中需要模具、工序复杂、难以实现复杂结构等难题，但仍存在层间结合强度和Z向力学性能较差等问题，因此，本专利提出将三维织造方法与连续纤维增材制造方法相结合，解决打印连续纤维增强复合材料层间性能较差等问题。
发明内容
为了解决上述存在的问题。本发明提供了一种复合材料三维预制体多针织造与连续纤维增材制造的复合成形方法，在无模条件下，实现复杂结构高性能预制体的数字化快速柔性制造，解决连续纤维打印复合材料Z向力学性能较差等问题。该方法具有成形周期短、操作简单、成本低以及适应性强等优点。
1.一种复合材料三维织造与连续纤维增材制造的复合成形方法，包含以下步骤：
1)对三维构件的数据进行分层离散：对三维构件的数据进行离散处理、路径规划、工艺参数设定等，得到打印和织造所需的制造数据；
2)制造环境加热：对制造的环境进行加热，同时对成型平台进行加热，使其保持在一定的温度内；
3)构件的制造：利用三维织造方法完成纤维的铺放，即由织造针3将多束连续纤维4铺放，铺放距离L后，在已铺放的连续纤维上打印M层的纤维/树脂混合物，即由喷头1挤出的纤维/熔融树脂混合物2，在喷头1沿扫描路径的运动过程中，采用步骤1)的打印参数进行打印，挤出的纤维/树脂混合物2在脱离喷头1后冷却固化，形成打印层5，将织造针升高，纤维呈竖直拉紧状态，在其无打印侧打印宽为L，M层的纤维/树脂混合物，形成打印层6，织造针沿着打印层6的上面和侧面进行纤维铺放，铺放后将纤维约束后继续铺放长度为L的纤维，重复以上步骤，完成一层纤维的制造；
4)重复上述步骤3)，完成三维构件的制造。
2.所述的织造机构、打印机构之间没有空间干涉。
3.所述的织造机构织造的纱线可对其张力进行调节。
4.所述的利用三维织造技术在完成纤维层铺放后，采用热压实装置对表面进行压实处理，热压实机构为热压辊、热压板等。
5.所述的纤维约束方法包括但不限于可为利用金属棒约束，也可为利用树脂将纤维固定约束。
6.所述的打印层5和6之间没有间隙，为相互连接状态。
7.在打印打印层6时，喷头为倾斜状态，与打印层和已铺放的竖直拉紧状态的纤维无干涉。
8.在铺放纤维的过程中，铺放纤维方向与打印纤维/树脂混合物的方向不同。
本发明的有益效果如下：
1.本发明将复合材料三维织造方法和连续纤维增材制造方法进行融合，在Z向引入连续纤维，解决了利用连续纤维增材制造打印Z向力学性能较差等问题。
2.本发明易于实现复合材料构件的制造的自动化、数字化，能够实现复杂大尺寸复合材料构件的快速制造。
附图说明
图1为本发明复合材料三维织造与连续纤维增材制造的复合成形方法的示意图。
附图标记
1—打印喷头 2—纤维/熔融树脂混合物 3—织造针 4—连续纤维
5—织造纤维在下端的打印层 6—织造纤维在上端的打印层
图2为本发明复合材料的结构示意图
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施案例进一步阐明本发明内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施案例。此外，本技术领域人员在阅读了本发明阐述的内容后可对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样适用于本申请所附权利要求书所限定的范围。
(1)对三维构件的数据进行分层离散：打印参数如下：扫描间距1mm，层厚0.3mm，扫描速度6mm/s，温度200℃，打印材料为PLA复合连续碳纤维材料，扫描轨迹沿Y轴方向往复扫描。织造参数如下：织造针数为6，织造路径为沿X轴方向往复运动。
(2)制造环境加热：对制造的环境进行加热，同时对成型平台进行加热，使其保持在200℃的温度。
(3)构件的制造：利用三维织造方法完成纤维的铺放，即织造针将6束3K的连续碳纤维以30mm/s的速度沿X轴正向铺放，铺放距离5mm后，在已铺放的连续纤维上打印10层的纤维/树脂混合物，由直径为2mm的喷头挤出的PLA熔融树脂包裹着的连续碳纤维复合材料，沿扫描路径以扫描速度6mm/s沿Y向往复打印，将织造针升高，纤维呈竖直拉紧状态，在其无打印侧打印宽为5mm，10层的纤维/树脂混合物，形成打印层，织造针沿着打印层的上面和侧面进行纤维铺放，铺放后在纤维与打印层的底端交界处利用PLA树脂进行固定，后继续铺放长度为5mm的纤维，重复以上步骤，完成一层纤维的制造。
(4)重复上述步骤，完成三维构件的制造。

Claims (8)

1.一种复合材料三维织造与连续纤维增材制造的复合成形方法，包含以下步骤：
1)对三维构件的数据进行分层离散：对三维构件的数据进行离散处理、路径规划、工艺参数设定，得到打印和织造所需的制造数据；
2)制造环境加热：对制造的环境进行加热，同时对成型平台进行加热，使其保持在一定的温度内；
3)构件的制造：利用三维织造方法完成纤维的铺放，即由织造针将多束连续纤维铺放，铺放距离L后，在已铺放的连续纤维上打印M层的纤维/树脂混合物，即由喷头挤出的纤维/熔融树脂混合物，在喷头沿扫描路径的运动过程中，采用步骤1)的打印参数进行打印，挤出的纤维/树脂混合物在脱离喷头(1)后冷却固化，形成打印层，将织造针升高，纤维呈竖直拉紧状态，在其无打印侧打印宽为L，M层的纤维/树脂混合物，形成打印层，织造针沿着打印层的上面和侧面进行纤维铺放，形成类层层贯穿角连锁织物，铺放后将纤维约束后继续铺放长度为L的纤维，重复以上步骤，完成一层纤维的制造；
4)重复上述步骤3)，完成三维构件的制造。
2.根据权利要求1所述的复合材料三维织造与连续纤维增材制造的复合成形方法，其特征在于，织造机构、打印机构之间没有空间干涉。
3.根据权利要求1所述的复合材料三维织造与连续纤维增材制造的复合成形方法，其特征在于，织造机构织造的纱线可对其张力进行调节。
4.根据权利要求1所述的复合材料三维织造与连续纤维增材制造的复合成形方法，其特征在于，所述的利用三维织造技术在完成纤维层铺放后，采用热压实装置对表面进行压实处理，热压实机构为热压辊、热压板。
5.根据权利要求1所述的复合材料三维织造与连续纤维增材制造的复合成形方法，其特征在于，所述的纤维约束方法包括但不限于利用金属棒约束，或利用树脂将纤维固定约束。
6.根据权利要求1所述的复合材料三维织造与连续纤维增材制造的复合成形方法，其特征在于，所述的打印层(5)和打印层(6)之间没有间隙或者间隙很小，为相互连接状态。
7.根据权利要求1所述的复合材料三维织造与连续纤维增材制造的复合成形方法，其特征在于，在打印打印层(6)时，喷头为倾斜状态，与打印层和已铺放的竖直拉紧状态的纤维无干涉。
8.根据权利要求1所述的复合材料三维织造与连续纤维增材制造的复合成形方法，其特征在于，在铺放纤维的过程中，铺放纤维方向与打印纤维/树脂混合物的方向不同。
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