CN111070503A - 3d打印技术辅助碳纤维构件的成型方法及结构、成型模具 - Google Patents

3d打印技术辅助碳纤维构件的成型方法及结构、成型模具 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种3D打印技术辅助碳纤维构件的成型方法及结构、成型模具，属于碳纤维构件成型工艺的技术领域。3D打印技术辅助碳纤维构件的成型方法包括如下步骤：使用水溶性材料，通过3D打印技术打印成型数模、铺贴碳纤维预浸料、包覆真空袋、抽真空加温固化成型、冷却至室温、融化水溶性内模、产品成型、机加工。解决了现有技术中，金属模具需考虑脱模角度，且制品的脱模效果差，无法成型复杂结构的制品，成本高，生产周期长的问题。本发明采用水溶性内模融化，低温固化成型，无需金属材质的模具投入，可成型复杂结构的产品，且水溶性内模由增材制造成型，制作时可选择填充率，是一种可自然降解的环保材料，可大幅的降低生产成本。

Description

3D打印技术辅助碳纤维构件的成型方法及结构、成型模具
技术领域
本发明涉及碳纤维构件成型工艺的技术领域，具体的涉及一种3D打印技术辅助碳纤维构件的成型方法及结构、成型模具。
背景技术
碳纤维是指含碳量在90％以上的高强度高模量纤维，其耐高温性居所有的化纤之首，是制造航天航空等高技术器材的优良材料。碳纤维主要是用腈纶和粘胶纤维做原料，经高温氧化碳化而成。现有技术中，加工碳纤维构件时，主要采用袋压工艺，袋压工艺作为一种复合材料的热固性成型方法，是指用吸力除去复合结构中的滞留空气、空隙和多余树脂的方法。
袋压工艺分为：压力袋法、真空袋法和热压罐法三种。压力袋法：是指将经手糊后未固化的制品表面放上一个橡胶袋，固定好上盖板或密绳网，防止橡胶袋无限膨胀，然后通过压缩空气或蒸汽，使材料表面承受一定的压力，同时受热固化而得制品。真空袋法：是指将在模具上成型的未固化制品装入真空成型装置中，抽成真空，利用大气加压固化而成。热压袋法：与真空袋法相似，所不同的是前者利用专用热压罐，充以高压的弹性介质，同时加热使制品固化而成。
袋压工艺的优点是制品的两面都比较平滑，能适应聚酯、环氧及酚醛聚酯，制品的成型质量高，成型的周期短。适合袋压法加工的制品有：各类构件、产量不大的制品、模压法不能生产的复杂制品、需要两面光滑的中小型制品等。
但是，采用袋压工艺也存在一些缺点，每次均需要金属模具的置入，利用金属模具作为支撑，做模具时，还需要考虑脱模的角度的问题，导致无法成型复杂结构的制品；上述液压罐的成本比较高，辅料的耗费比较大，制品的尺寸需要基于热压罐的容积，需要金属模具才能保证型面，导致制品的生产周期长，成型质量差，并且不能制作大型制品。
碳纤维制品成型需要借助金属模具，脱模时，制品的成型效果差，模具的使用效果差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种3D打印技术辅助碳纤维构件的成型方法，以解决现有技术中存在的，金属模具的置入工艺导致制品的脱模效果差，需考虑脱模角度，且无法成型复杂结构的制品，成型工艺的成本高，制品的生产周期长的技术问题。
本发明的目的在于提供一种3D打印技术辅助碳纤维构件的结构，以解决现有技术中存在的，制品内部采用金属模具支撑，金属模具受限于脱模角度，无法成型复杂构型，制品成型效果差的技术问题。
本发明的目的在于提供一种3D打印技术辅助碳纤维构件的成型模具，以解决现有技术中存在的，采用金属模具作为支撑，模具的脱模效果差的技术问题。
本发明提供的一种3D打印技术辅助碳纤维构件的成型方法，包括如下步骤：
(a)打印成型数模
使用3D打印机并结合水溶性耗材，打印成型构件的三维数模，即水溶性内模，水溶性内模的填充率在30％～100％之间，水溶性内模的成分为可溶于水的化合物；
(b)铺贴碳纤维预浸料
裁切碳纤维预浸料，在水溶性内模的表面铺贴碳纤维预浸料，使水溶性内模与碳纤维预浸料之间构成一个整体构件；
(c)包覆真空袋
在整体构件的外部包覆真空袋，使整体构件设置在真空袋的空腔内，将真空袋连接在固定平台上；
(d)抽真空加温固化成型
在真空袋上预留接头，并与气管连接，进行抽真空，以压实碳纤维材料，对其进行升温加压后，恒温7小时；
(e)冷却至室温
对整体构件保压低温固化，成型后取出整体构件；
(f)融化水溶性内模
在整体构件的下侧位置开孔，将整体构件浸入水槽，或者使用高压水枪通过开孔将碳纤维预浸料内的水溶性内模融化；
(g)产品成型
取出整体构件，得到成型的产品；
(h)机加工
对成型后的整体构件通过机加工或者数控的方式开孔，修边、修型面处理。
进一步的，在步骤(c)中，升温的温度范围在室温℃～75℃之间，加压的压力值的范围在0.05MPa～0.1MPa之间。
进一步的，在步骤(c)中，保压的压力值的范围在0.05MPa～0.1MPa 之间，低温的温度范围在30℃～40℃之间。
本发明提供的一种3D打印技术辅助碳纤维构件的结构，包括水溶性内模和碳纤维预浸料；
碳纤维预浸料铺贴在水溶性内模的表面，水溶性内模能够融化在成型后的碳纤维预浸料内。
本发明提供的一种3D打印技术辅助碳纤维构件的成型模具，包括真空袋、固定平台和水溶性内模；
真空袋连接在固定平台上；
真空袋设有空腔，空腔内用于容纳水溶性内模。
进一步的，水溶性内模为实心结构。
进一步的，水溶性内模为网格结构，填充率在30％～100％之间。
进一步的，水溶性内模为水溶性树脂。
相对于现有技术，本发明的3D打印技术辅助碳纤维构件的成型方法具有以下优势：
本发明依次采用打印成型数模、铺贴碳纤维预浸料、包覆真空袋、抽真空加温固化成型、冷却至室温、融化水溶性内模、产品成型、机加工等工艺，无需金属材质的模具投入，采用水溶性内模低温固化成型，不需热压罐固化；水溶性内模直接融化的技术，无需考虑脱模角度，可成型复杂结构的产品，通过无支撑后固化的工艺，能够有效的提高产品的耐热性能；水溶性内模材料由可溶于水的聚乙烯醇(PVA)构成主要成分，可自然降解，安全环保；该成型方法适合小批量、定制化、具有复杂结构的零部件加工，还能够减少成本。
相对于现有技术，本发明的3D打印技术辅助碳纤维构件的结构具有以下优势：
本发明的碳纤维预浸料的内部采用水溶性内模进行支撑，待水溶性内模融化后，直接形成碳纤维制品的结构，对碳纤维制品的内部进行保护，碳纤维制品的成型效果好。
相对于现有技术，本发明的3D打印技术辅助碳纤维构件的成型模具具有以下优势：
本发明的成型模具采用水溶性内模作为支撑，确保碳纤维制品的内部成型质量，很好的对碳纤维制品的内部进行保护，成型模具的成型质量好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的3D打印技术辅助碳纤维构件的成型方法流程图；
图2为本发明实施例提供的3D打印技术辅助碳纤维构件的成型模具的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的3D打印技术辅助碳纤维构件的成型模具的主视图；
图4为图3中沿A-A方向的剖视图。
附图标记说明：
100-水溶性内模；200-碳纤维预浸料；300-真空袋；
400-固定平台；301-空腔。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明提供的一种3D打印技术辅助碳纤维构件的成型方法，包括如下步骤：
(a)打印成型数模
使用3D打印机并结合水溶性耗材，打印成型构件的三维数模，即水溶性内模100，对水溶性内模100进行清理，水溶性内模100的填充率在 30％～100％之间，在本实施例中，水溶性内模100的填充率为80％；水溶性内模100的成分为可溶于水的化合物，例如：聚乙烯醇，聚乙烯醇可降解；
(b)铺贴碳纤维预浸料
剪裁碳纤维预浸料200，在水溶性内模100的表面铺贴剪裁好的碳纤维预浸料200，使水溶性内模100与碳纤维预浸料200之间构成一个整体构件；
碳纤维预浸料200的裁切与铺叠可采取人工操作，也可采取机器辅助裁切与人工铺叠相结合，或者也可采取全自动方式裁切与铺叠。
裁切按模板裁剪，要注意控制纤维方向的偏差，一般不超过正负1度。
铺叠时，要按照设计的铺层顺序和方向依次铺叠，同时，要注意在接缝部位采取搭接形式，并且各层接缝必须错开。
要注意将顶浸料展平压实，尽量排除层间的空气。
(c)包覆真空袋
在整体构件的外部包覆真空袋300，使整体构件设置在真空袋300的空腔301内，形成一个封闭的空间，将真空袋300采用双面胶粘接在固定平台 400上；
(d)抽真空加温固化成型
在真空袋300上预留接头，并与气管连接，进行抽真空，以压实碳纤维材料，对其进行升温加压后，恒温7小时；
(e)冷却至室温
对整体构件保压低温固化，成型后取出整体构件；
在步骤(c)中，升温的温度范围在室温℃～75℃之间，在本实施例中，以每分钟2℃～3℃的速率，升温的最终温度值为75℃；加压的压力值的范围在0.05MPa～0.1MPa之间，在本实施例中，加压的最终压力值为0.1MPa。
在步骤(c)中，保压的压力值的范围在0.05MPa～0.1MPa之间，在本实施例中，保压的最终压力值为0.1MPa；低温的温度范围在30℃～40℃之间，在本实施例中，以每分钟不大于0.5℃的速度冷却至40℃以下。
(f)融化水溶性内模
在整体构件的下侧位置开孔，将整体构件浸入水槽，或者使用高压水枪通过开孔将碳纤维预浸料200内的水溶性内模100融化；
(g)产品成型
取出整体构件，得到成型的产品；
(h)机加工
对成型后的整体构件通过机加工或者数控的方式开孔，对其进行修整，修整的范围包括修整边缘、型面等的毛刺处理，然后进行出厂检验，得到成型的产品。
本发明与传统复材模压成型方式相比，不需金属材质的模具投入，低温固化快速成型，无需热压罐固化，生产周期短，成本低；使用水溶性树脂打印的模具，无需像金属模具一样需要考虑脱模角度；本发明适合小批量、定制化、复杂造型的产品；通过无支撑后固化的工艺，可提高产品的耐热性能，使产品的耐热性能在130℃～210℃之间；与热压罐模压成型工艺相比，可减少70％的成本。
如图4所示，本发明提供的一种3D打印技术辅助碳纤维构件的结构，包括水溶性内模100和碳纤维预浸料200；
碳纤维预浸料200铺贴在水溶性内模100的表面，水溶性内模100能够融化在成型后的碳纤维预浸料200内。
本发明的水溶性内模100能够融化在成型后的碳纤维预浸料200内，对制品的内部形成一种保护，确保制品的成型效果好。
如图2～4所示，本发明提供的一种3D打印技术辅助碳纤维构件的成型模具，包括真空袋300、固定平台400和水溶性内模100；
真空袋300连接在固定平台400上；
真空袋300设有空腔301，空腔301内用于容纳水溶性内模100。
本发明的真空袋300的袋口采用双面胶粘接在固定平台400上，以对袋口处进行密封，采用水溶性内模100进行支撑，确保制品的成型效果好。
进一步的，水溶性内模100为实心结构。
本发明的一个实施例中，水溶性内模100采用实心的结构，能够更好的对碳纤维预浸料200的内部进行支撑，支撑牢固。
进一步的，水溶性内模100为网格结构，填充率在30％～100％之间。
本发明的一个实施例中，水溶性内模100采用网格的结构，不但能够起到对碳纤维预浸料200支撑的效果，还能够节约材料。
在本实施例中，填充率为80％。
进一步的，水溶性内模100为水溶性树脂。
本发明的一个实施例中，水溶性内模100采用水溶性树脂，使其与碳纤维预浸料200之间具有很高的附着力，支撑力好，使制品的成型效果好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种3D打印技术辅助碳纤维构件的成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)打印成型数模
使用3D打印机并结合水溶性耗材，打印成型构件的三维数模，即水溶性内模(100)，水溶性内模(100)的填充率在30％～100％之间，水溶性内模(100)的成分为可溶于水的化合物；
(b)铺贴碳纤维预浸料
裁切碳纤维预浸料(200)，在水溶性内模(100)的表面铺贴碳纤维预浸料(200)，使水溶性内模(100)与碳纤维预浸料(200)之间构成一个整体构件；
(c)包覆真空袋
在整体构件的外部包覆真空袋(300)，使整体构件设置在真空袋(300)的空腔(301)内，将真空袋(300)连接在固定平台(400)上；
(d)抽真空加温固化成型
在真空袋(300)上预留接头，并与气管连接，进行抽真空，以压实碳纤维材料，对其进行升温加压后，恒温7小时；
(e)冷却至室温
对整体构件保压低温固化，成型后取出整体构件；
(f)融化水溶性内模
在整体构件的下侧位置开孔，将整体构件浸入水槽，或者使用高压水枪通过开孔将碳纤维预浸料(200)内的水溶性内模(100)融化；
(g)产品成型
取出整体构件，得到成型的产品；
(h)机加工
对成型后的整体构件通过机加工或者数控的方式开孔，修边、修型面处理。
2.根据权利要求1所述的3D打印技术辅助碳纤维构件的成型方法，其特征在于，在所述步骤(c)中，升温的温度范围在室温～75℃之间，加压的压力值的范围在0.05MPa～0.1MPa之间。
3.根据权利要求1所述的3D打印技术辅助碳纤维构件的成型方法，其特征在于，在所述步骤(c)中，保压的压力值的范围在0.05MPa～0.1MPa之间，低温的温度范围在30℃～40℃之间。
4.一种3D打印技术辅助碳纤维构件的结构，其特征在于，包括水溶性内模(100)和碳纤维预浸料(200)；
所述碳纤维预浸料(200)铺贴在所述水溶性内模(100)的表面，所述水溶性内模(100)能够融化在成型后的所述碳纤维预浸料(200)内。
5.一种3D打印技术辅助碳纤维构件的成型模具，其特征在于，包括真空袋(300)、固定平台(400)和水溶性内模(100)；
所述真空袋(300)连接在所述固定平台(400)上；
所述真空袋(300)设有空腔(301)，所述空腔(301)内用于容纳所述水溶性内模(100)。
6.根据权利要求5所述的3D打印技术辅助碳纤维构件的成型模具，其特征在于，所述水溶性内模(100)为实心结构。
7.根据权利要求5所述的3D打印技术辅助碳纤维构件的成型模具，其特征在于，所述水溶性内模(100)为网格结构，填充率在30％～100％之间。
8.根据权利要求5所述的3D打印技术辅助碳纤维构件的成型模具，其特征在于，所述水溶性内模(100)为水溶性树脂。
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