CN110509537B - 基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3d打印方法 - Google Patents

基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3d打印方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110509537B
CN110509537B CN201910734990.4A CN201910734990A CN110509537B CN 110509537 B CN110509537 B CN 110509537B CN 201910734990 A CN201910734990 A CN 201910734990A CN 110509537 B CN110509537 B CN 110509537B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fiber
filling
track
printing
matrix material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910734990.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110509537A (zh
Inventor
张武翔
张卡
张家瑞
丁希仑
邓慧超
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN201910734990.4A priority Critical patent/CN110509537B/zh
Publication of CN110509537A publication Critical patent/CN110509537A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110509537B publication Critical patent/CN110509537B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/307—Handling of material to be used in additive manufacturing
    • B29C64/314—Preparation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3D打印方法，属于3D打印设计技术领域。本发明在进行纤维增强复合材料3D打印时使用基体材料对纤维间隙进行填充，具体包括后填充基体材料法和预填充基体材料法两种。本发明中设计的纤维铺放轨迹仅与零件的需求有关，纤维间隙通过基体材料填充；可根据零件的强度需求自由调整纤维体积含量，打印低纤维含量零件，减少强度过度冗余和纤维浪费，节约了成本；同时，本发明可以在曲面上铺放纤维，实现纤维增强复合材料曲面零件的3D打印。

Description

基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3D打印方法
技术领域
本发明涉及纤维增强复合材料3D打印技术领域，具体涉及一种基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3D打印方法。
背景技术
纤维增强复合材料是由玻璃纤维或碳纤维等高性能纤维与树脂等基体材料混合，经过一定的加工工艺复合而成的非金属材料。纤维增强复合材料制造的零件具有比强度高，比模量大，材料性能具有可设计性，抗腐蚀性和耐久性能好等优点，已成为现代工业，尤其是航空航天、国防军事、汽车赛车、机器人和医疗领域的一种重要的结构用材，其发展十分迅速。
3D打印，也称为增材制造，是根据所设计的3D模型，通过3D打印设备逐层增加材料来制造三维产品的技术。由于其具有较好的打印自由度，在工业生产及日常生活中越来越具有实际应用价值。
传统的纤维增强复合材料3D打印方法为纯纤维打印方法，在打印层无间隙地铺放纤维材料，所述纤维材料采用预浸润的纤维材料或通过其他方式(如CN 105172144 B一种连续纤维增强复合材料3d打印的多级送丝打印头)与基体材料结合过的纤维材料，由于零件的孔隙会降低零件的抗拉强度、剪切强度等力学性能，使用所述纯纤维打印方法在设计纤维打印轨迹时，不仅要考虑零件的受力方向等因素，还要保证零件的低孔隙率。如：在一个受沿轴向拉力的圆台侧面打印纤维时，很明显，在纤维体积含量相同的情况下，沿圆台母线打印纤维会得到最好的抗拉强度。但由于沿母线方向打印会在纤维间产生间隙，所以使用纯纤维打印方法打印零件时，不会采用此种轨迹，而会更倾向于采用沿圆台侧面缠绕等低间隙的纤维打印轨迹。虽然采用所述纯纤维打印方法得到的零件也可以达到所需力学性能要求，但由于相同体积的纤维材料价格一般高于基体材料，采用所述纯纤维打印方法并不经济。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3D打印方法，在进行纤维增强复合材料3D打印时使用基体材料对纤维间隙进行填充，具体包括后填充基体材料法和预填充基体材料法两种。
本发明提供的一种基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3D打印方法中，所述基体材料填充纤维间隙的方法有二种，分别为：
第一种，采用后填充基体材料法：先按照事先设计的纤维铺放轨迹，在打印面上铺放纤维，然后按照基体材料填充轨迹将基体材料填充于纤维间隙中。
在基体材料填充过程中，可以先按照纤维轨迹生成基体材料填充轨迹，再将基体材料按照填充轨迹填充于纤维间隙中，所述基体材料填充轨迹与纤维铺放轨迹平行；
在基体材料填充过程中，也可以直接在纤维上打印基体材料，打印基体材料方向与纤维铺放轨迹方向夹角大于零，打印机喷头紧贴纤维表面，通过打印机喷头与纤维间的压力，将基体材料挤压于纤维间隙中，实现对纤维间隙的填充。
第二种，采用预填充基体材料法：先根据需求设计纤维铺放轨迹，再将纤维铺放轨迹朝产生间隙侧不断等距偏移，生成与纤维铺放轨迹相平行的基体材料填充轨迹，在打印面上按照填充轨迹先打印基体材料，预留出供纤维铺放的轨迹凹槽，再将纤维铺放在预留的轨迹凹槽中。
上述的3D打印方法中，所述打印面为平面或曲面。所述纤维为基体材料浸润过的连续长纤维。所述3D打印所打印的零件包括低纤维含量零件与曲面零件。
本发明的优点在于：
本发明突破了传统纤维增强复合材料3D打印的纯纤维打印方法，创造性地提出了基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3D打印方法。
在设计纤维打印轨迹时，仅需考虑零件的受力方向等因素，而不需考虑零件孔隙率的问题。当在某打印层设计的纤维轨迹产生间隙时，使用基体材料对此层间隙进行填充，以保证零件的低孔隙率。采用本发明所述3D打印方法打印零件可以降低零件的成本，同时使零件的纤维空间布局更有利于实现零件的技术要求。
本发明可以通过在纤维间留有间隙并采用基体材料对纤维间隙进行填充的方式打印低纤维含量零件，减少强度过度冗余和纤维浪费；同时，本发明提出的基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3D打印方法可以在曲面上沿应力方向打印纤维，实现纤维增强复合材料曲面零件的3D打印。
附图说明
图1是本发明的一种基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3D打印方法的流程图。
图2是本发明中基体材料沿纤维间隙打印应用于平面上3D打印的示意图。
图3是本发明中基体材料沿纤维间隙打印应用于曲面上3D打印的示意图。
图4是本发明中基体材料沿与纤维相交方向打印应用于平面上3D打印的示意图。
图5是本发明中预打印基体材料法应用于平面上3D打印的示意图。
图6为使用图4所示后填充基体法打印出零件的横截面的扫描电镜图像。
图7为未使用基体材料对纤维间隙填充打印出零件的横截面的扫描电镜图像。
图中：1、纤维材料；2、基体材料；3、3D打印机喷头。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供一种基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3D打印方法，如图1所示流程，所述3D打印方法包括如下步骤：
第一步，根据零件需求，计算纤维铺放轨迹。
第二步，如果纤维铺放轨迹满足零件需求，则转第三步，如果不满足，则提示力学性能需求无法达到，结束。
第三步，根据纤维铺放轨迹计算纤维间隙。如果纤维有间隙，根据纤维间隙计算基体材料填充轨迹，选择填充方法；否则直接转第四步。
第四步，将纤维铺放轨迹和/或基体材料填充轨迹信息生成G代码，并用3D打印机打印零件。
具体打印零件过程包括三种，具体如下：
如图2所示，采用后填充基体材料法：打印面为平面，3D打印机先于平面上按照纤维铺放轨迹打印纤维材料1。单层纤维铺放后，按照基体材料填充轨迹沿纤维间隙打印基体材料2，实现对纤维间隙的填充。
如图3所示，采用后填充基体材料法：打印面为曲面，3D打印机先于曲面上按照纤维铺放轨迹打印纤维材料1。单层纤维铺放后，按照基体材料填充轨迹沿纤维间隙打印基体材料2，实现对纤维间隙的填充。
如图4所示，采用后填充基体材料法：打印面为平面，3D打印机先于平面上按照纤维铺放轨迹打印纤维材料1。单层纤维铺放后，于同一平面上打印基体材料2，基体材料2的填充轨迹与纤维铺放轨迹垂直相交；3D打印机喷头3紧贴纤维表面，在3D打印机喷头3和纤维表面的压力下将基体材料挤压到纤维间隙，完成对纤维间隙的填充。
如图5所示，采用预打印基体材料法：打印面为平面，将纤维铺放轨迹朝产生间隙侧不断等距偏移，生成与纤维铺放轨迹相平行的基体材料填充轨迹，3D打印机先于平面上按照基体材料填充轨迹打印基体材料2，形成供纤维材料1打印的轨迹凹槽区域。单层基体材料打印结束后，3D打印机于预留的轨迹凹槽区域中打印纤维材料1。
上述打印过程中所述纤维是经过基体材料浸润过的连续长纤维。所述的打印面为曲面或者平面，根据零件具体形状进行选择。
图6、图7所示的零件均为长方体零件，纤维沿长方体的长度方向进行铺放。区别在于：图6所示的纤维层在相邻纤维间留有间隙。纤维铺放结束后，沿与纤维轨迹呈45°的方向打印并填充基体材料，实现对纤维间隙的填充；图7所示的纤维层在相邻纤维间留有与图6所示零件相同间隙，但未使用基体材料对纤维间的间隙进行填充，纤维层仅采用预浸润的纤维进行铺放。从扫描电镜图像上可以看出，图6所示零件的孔隙率明显小于图7所示零件，说明使用基体材料对纤维间隙进行填充可以达到降低零件孔隙率的目的。
本发明提出的基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3D打印方法，在进行纤维增强复合材料3D打印时使用基体材料对纤维间隙进行填充。此种3D打印方法可根据零件的强度需求自由调整纤维用量，打印低纤维含量零件，减少强度过度冗余和纤维浪费，节约了成本；同时，本发明提出的基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3D打印方法可以在曲面上打印纤维，实现纤维增强复合材料曲面零件的3D打印。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所以这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3D打印方法，纤维增强复合材料是由玻璃纤维或碳纤维与树脂混合；在进行纤维增强复合材料3D打印时使用基体材料对连续长纤维间隙进行填充，具体包括后填充基体材料法；
其特征在于：
所述的后填充基体材料法，先按照事先设计的纤维铺放轨迹在打印面上铺放连续长纤维，然后按照基体材料填充轨迹将基体材料填充于连续长纤维间隙中；
在基体材料填充过程中，先按照纤维轨迹生成基体材料填充轨迹，再将基体材料按照填充轨迹填充于连续长纤维间隙中，所述基体材料填充轨迹与纤维铺放轨迹平行；或者直接在连续长纤维上打印基体材料，打印基体材料方向与纤维轨迹方向夹角大于零，打印机喷头紧贴连续长纤维表面，通过打印机喷头与连续长纤维间的压力，将基体材料挤压于连续长纤维间隙中，实现对连续长纤维间隙的填充；
所述3D打印方法包括如下步骤：
第一步，根据零件需求，计算纤维铺放轨迹；
第二步，如果纤维铺放轨迹满足零件需求，则转第三步，如果不满足，则提示力学性能需求无法达到，结束；
第三步，根据纤维铺放轨迹计算纤维间隙；如果纤维有间隙，根据纤维间隙计算基体材料填充轨迹，选择填充方法；否则直接转第四步；
第四步，将纤维铺放轨迹和基体材料填充轨迹信息生成G代码，并用3D打印机打印零件；
采用后填充基体材料法，打印面为平面，3D打印机先于平面上按照纤维铺放轨迹打印纤维材料（1）；单层纤维铺放后，于同一平面上打印基体材料（2），基体材料（2）的填充轨迹与纤维铺放轨迹垂直相交；3D打印机喷头（3）紧贴纤维表面，在3D打印机喷头（3）和纤维表面的压力下将基体材料挤压到纤维间隙，完成对纤维间隙的填充。
CN201910734990.4A 2019-08-09 2019-08-09 基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3d打印方法 Active CN110509537B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910734990.4A CN110509537B (zh) 2019-08-09 2019-08-09 基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3d打印方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910734990.4A CN110509537B (zh) 2019-08-09 2019-08-09 基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3d打印方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110509537A CN110509537A (zh) 2019-11-29
CN110509537B true CN110509537B (zh) 2021-01-29

Family

ID=68625428

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910734990.4A Active CN110509537B (zh) 2019-08-09 2019-08-09 基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3d打印方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110509537B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114147958B (zh) * 2021-10-11 2023-05-09 航天特种材料及工艺技术研究所 一种高纤维含量的连续纤维增强复合材料及其3d打印方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2739286C2 (ru) * 2015-08-31 2020-12-22 ПЬЮА НЬЮ ВОРЛД ПиТиУай ЛТД Использование аддитивной технологии с армированием для производства композитных материалов
CN107471629B (zh) * 2017-08-21 2019-05-21 西安交通大学 一种连续纤维增强复合材料电磁屏蔽结构3d打印制造方法
CN107935614B (zh) * 2017-11-30 2020-09-15 北京天宜上佳高新材料股份有限公司 碳陶复合材料及其制备方法
CN108127905B (zh) * 2017-11-30 2019-07-02 浙江大学 碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置与方法
CN109228404A (zh) * 2018-08-13 2019-01-18 北京航空航天大学 一种用于连续纤维增强复合材料结构成型的多维度增材制造方法
CN110001067B (zh) * 2019-03-27 2022-01-18 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 一种连续纤维增强复合材料3d打印路径规划方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110509537A (zh) 2019-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9845556B2 (en) Printing patterns onto composite laminates
CN110509537B (zh) 基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3d打印方法
KR101745088B1 (ko) 전도성이 우수한 탄소섬유 복합재 및 이의 제조방법
JP2010536622A5 (zh)
DE102015221078A1 (de) Faserverstärktes Metallbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug und Herstellungsverfahren für faserverstärkte Metallbauteile
JP2011002069A (ja) 樹脂成形体である被締結部材に形成された締結用の貫通孔に配置される繊維強化複合材である補強部材及び貫通孔に補強部材が配置された被締結部材の締結構造
CN103523094B (zh) 碳纤维复合材料汽车水箱上横梁及其制作方法
CN108068319A (zh) 一种连续纤维复合材料增材制造方法
KR101923381B1 (ko) 보강 복합재 및 이를 포함하는 물품
JP2016107485A (ja) 複合成形体およびその製造方法
US20150165722A1 (en) Laminated composite structure and related method
CN1875194A (zh) 将热塑性插件单元安排在热塑性夹芯产品中的方法
CN113103585B (zh) 一种可铺设连续纤维网的3d打印机头及打印方法
US20070208447A1 (en) Direct manufactured fillets for composite structures
JP2015226986A (ja) 繊維強化熱可塑性樹脂成形体
US20220266552A1 (en) Method for repairing a fiber composite component
US20110303791A1 (en) Fuselage Section of an Aircraft and Method for the Production of the Fuselage Section
JP2017202604A (ja) 強化繊維構造物及びその製造方法
WO2020009125A1 (ja) Ｃｆｒｐシート、ｃｆｒｐシートを用いた積層体、及びｃｆｒｐシートの製造方法
CN106001152A (zh) 一种碳纳米管增强金属基复合材料
CN105620712A (zh) 一种泡沫夹层结构大拐折进气道及其泡沫芯的成型方法
JP5683780B2 (ja) 金属含浸複合物および製作方法
US20180319085A1 (en) System and methods for additive manufacturing deposition and routing based on part performance
JP3598787B2 (ja) ドクターブレードホルダー
CN111873404A (zh) 一种基于3d打印的空间多层吸波结构的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Zhang Wuxiang

Inventor after: Zhang Ka

Inventor after: Zhang Jiarui

Inventor after: Ding Xilun

Inventor after: Deng Huichao

Inventor before: Zhang Wuxiang

Inventor before: Zhang Ka

Inventor before: Zhang Jiarui

Inventor before: Ding Xilun

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant