CN111531916A - 一种复合材料大型复杂构件及其复合成形方法 - Google Patents

一种复合材料大型复杂构件及其复合成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种复合材料大型复杂构件及其复合成形方法，属于先进制造技术领域。首先建立复合材料大型复杂构件的CAD模型，根据仿真分析将构件分为金属区域、导向阵列区域与织物区域，对三维构件的数据进行分层离散，得到金属和织物区域所需的制造数据，对金属区域进行成形。然后根据复合材料的受力情况对导向棒的结构进行拓扑优化并制造，并将其布置在金属区域上。最后采用柔性导向三维织造技术将纤维布置于导向阵列及导向棒的网格孔隙中，形成金属与织物混合分布预制体，浸渍固化后形成复合材料大型构件。本专利提出了一种复合材料大型复杂构件及其复合成形方法，解决了复合材料大型构件开裂失效和抗冲击性差等问题。

Description

一种复合材料大型复杂构件及其复合成形方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料大型复杂构件及其复合成形方法，属于先进制造技术领域。
背景技术
随着现代科技的快速发展，对交通工具的速度、负荷及安全性的要求越来越高，为确保交通工具的性能不因大型化而下降，并符合低碳、节能和环保的要求，迫切需要使其构件轻量化。采用先进材料制造大型复杂构件是实现交通工具减重的有效途径之一。
复合材料是由一种或多种增强体和基体组成，复合材料的性质随着增强体、基体的种类及其组成方式等而改变。因此，复合材料除了具有比强度、比刚度高等特性外，可设计性强也是复合材料的主要优势。
近年来，研究人员利用复合材料铺层技术将纤维预浸料按设计的角度、位置、层数精确铺放，形成复合材料大型复杂构件。但铺层结构复合材料构件由于层间方向没有纤维连接，易产生分层破坏导致构件整体失效，且抗冲击性能差。因此，本专利提出一种复合材料大型复杂构件及其复合成形方法，在层间引入增强相，解决了复合材料大型构件开裂失效和抗冲击性差等问题。
发明内容
为了解决上述存在的问题。本发明提出了一种复合材料大型复杂构件及其复合成形方法，在无模条件下，实现复合材料构件的数字化快速制造，并在层间引入增强相，解决了现有复合材料构件层间性能较差及抗冲击力不强等问题。该方法具有成形周期短、成本低及适应性强等优点。
本发明的技术方案如下：
复合材料大型复杂构件包括金属区域、导向阵列区域和织物区域。金属区域为复杂构件成形的骨架及导向阵列布置的基板。导向阵列区域是金属区域与织物区域的过渡区域，能够将织物区域的受力转移到金属区域上，降低织物区域的损伤破坏。织物区域为三维结构织物。
1.一种复合材料大型复杂构件及其复合成形方法具体步骤如下：
(1)建立模型：建立复合材料复杂构件的CAD模型，根据仿真分析将构件分为金属区域、导向阵列区域与织物区域；
(2)对三维构件数据进行分层离散：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，得到金属区域和织物区域所需的制造数据；
(3)金属区域制造：根据CAD模型及制造参数对金属区域进行成形；
(4)布置导向阵列：根据复合材料的受力情况对导向棒的结构进行拓扑优化，并根据拓扑优化的结果进行成形，并将导向棒布置在金属区域上；
(5)织物区域制造：采用柔性导向三维织造技术将纤维布置于导向阵列及导向棒的网格孔隙中，实现导向棒与纤维的连接，同时，导向棒与金属区域贯穿连接，实现金属区域、导向阵列区域和织物区域的连接，形成金属与织物混合分布预制体，并浸渍固化。
2.所述的金属区域的制造方法可为粉末冶金制造、3D打印制造和减材制造等；进一步的，金属的3D打印制造方法可为选择性激光烧结技术、选择性激光熔化技术、选择性激光熔覆技术、层叠法成型技术和电子束熔覆技术等的一种或多种；
3.所述的柔性导向三维织造技术可为铺放、缠绕或两者的复合成形方法；
4.所述的导向阵列可为金属材料，也可为纤维增强复合材料；
进一步的，纤维增强复合材料所用的纤维可为但不限于碳纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、尼龙纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维和碳纳米管纤维的一种或多种；
5.所述的导向棒可单独成形，固定于金属区域上，也可直接成形于金属区域上；
6.所述的金属区域的材料包括但不限于铝、铝镁合金、铬镍铁合金和钛合金等；
7.所述的导向阵列可为增材制造成形，也可为减材制造成形。
本发明有益的效果是：
1.所提出的构件通过导向阵列中的网格空隙与织物区域交错相连，形成层间增强相，改善了织物增强复合材料的层间性能，同时导向阵列与金属区域贯穿连接，实现了金属区域和织物区域的一体化承载，解决了织物增强复合材料构件抗冲击差的问题。
2.所提出的方法可实现一体化成形，解决了金属和织物混合分布复合材料一体化成形的难题。
3.本发明易于实现复合材料构件制造的自动化、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为叶片用钛合金骨架。
图2为拓扑优化后的导向棒。
图3为实施例1复合成形方法的示意图。
附图标记1—导向阵列2—纤维3—织造针4—金属骨架
图4为机匣用钛合金骨架。
图5为实施例2复合成形方法的示意图。
附图标记5—导向阵列 6—纤维 7—织造针 8—金属骨架
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施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。
实施例1
(1)建立模型：建立复合材料构件的三维CAD模型，将CAD模型分为金属区域、导向阵列区域与织物区域；
(2)对三维构件数据进行分层离散：打印参数如下：扫描间距0.8mm，层厚0.2mm，扫描速度6mm/s，温度500°，打印材料为钛合金，扫描轨迹为沿叶根方向往复扫描。织造参数如下：织造针个数为1，织造路径为沿X轴和Y轴方向缠绕；
(3)打印金属区域：利用选择性激光烧结技术根据金属区域CAD模型打印包含骨架、包边、叶根和叶尖的金属区域，其中叶片高1.219m，叶根宽0.304m，弦长0.61m，如图1所示；
(4)布置导向阵列：根据复合材料的受力情况对导向棒的结构进行拓扑优化，优化结果如图2所示，利用3D打印技术在钛合金骨架上打印碳纤维/树脂混合物，由直径为2mm的喷头挤出PLA熔融树脂包覆的连续纤维复合材料，沿着扫描路径打印，打印的层数为60层；
(5)织物区域制造：采用柔性导向三维织造技术将6K的碳纤维沿X轴和Y轴方向缠绕于导向阵列及导向棒的网格空隙中，如图3所示，缠绕层数为60层，并采用环氧树脂浸渍固化形成叶片用复合材料。
实施例2
(1)建立模型：建立复合材料构件的三维CAD模型，将CAD模型分为金属区域、导向阵列区域与织物区域；
(2)对三维构件数据进行分层离散：打印参数如下：扫描间距0.6mm，层厚0.3mm，扫描速度4mm/s，温度500°，打印材料为钛合金，扫描轨迹为圆周式扫描。织造参数如下：织造针个数为1，织造路径为沿X轴和Y轴方向缠绕；
(3)打印金属区域：利用选择性激光熔化技术根据金属区域CAD模型打印机匣区域，其中，机匣外径为1670mm，壁厚为5mm，如图4所示；
(4)布置导向阵列：根据复合材料的受力情况对导向棒的结构进行拓扑优化，优化结果如图2所示，利用3D打印技术打印碳纤维/树脂混合物，由直径为2mm的喷头挤出PLA熔融树脂包覆的连续纤维复合材料，沿着扫描路径打印，打印的层数为100层。导向棒成形后安装在金属区域上；
(5)织物区域制造：采用柔性导向三维织造技术将12K的碳纤维沿X轴和Y轴方向铺放于导向阵列及导向棒的网格空隙中，如图5所示，缠绕层数为130层，并采用环氧树脂浸渍固化形成机匣用复合材料。
上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。

Claims (8)

1.一种复合材料大型复杂构件及其复合成形方法，其特征在于，复合材料复杂构件包括金属区域、导向阵列区域和织物区域。所述的金属区域为复杂构件成形的骨架及导向阵列布置的基板。所述的导向阵列区域是金属区域与织物区域的过渡区域，能够将织物区域的受力转移到金属区域上，降低织物区域的损伤破坏。所述的织物区域为三维结构织物。
2.一种复合材料大型复杂构件及其复合成形方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)建立模型：建立复合材料复杂构件的CAD模型，根据仿真分析将构件分为金属区域、导向阵列区域与织物区域；
(2)对三维构件数据进行分层离散：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，得到金属区域和织物区域所需的制造数据；
(3)金属区域制造：根据CAD模型及制造参数对金属区域进行成形；
(4)布置导向阵列：根据复合材料的受力情况对导向棒的结构进行拓扑优化，并根据拓扑优化的结果进行成形，并将导向棒布置在金属区域上；
(5)织物区域制造：采用柔性导向三维织造技术将纤维布置于导向阵列及导向棒的网格孔隙中，实现导向棒与纤维的连接，同时，导向棒与金属区域贯穿连接，实现金属区域、导向阵列区域和织物区域的连接，形成金属与织物混合分布预制体，并浸渍固化。
3.根据权利要求2所属的复合成形方法，其特征在于，金属区域的制造方法可为粉末冶金制造、3D打印制造和减材制造等；
进一步的，金属的3D打印制造方法可为选择性激光烧结技术、选择性激光熔化技术、选择性激光熔覆技术、层叠法成型技术和电子束熔覆技术等的一种或多种。
4.根据权利要求2所属的复合成形方法，其特征在于，柔性导向三维织造技术可为铺放、缠绕或两者的复合成形方法。
5.根据权利要求2所属的复合成形方法，其特征在于，导向阵列可为金属材料，也可为纤维增强复合材料；
进一步的，纤维增强复合材料所用的纤维可为但不限于碳纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、尼龙纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维和碳纳米管纤维的一种或多种。
6.根据权利要求2所属的复合成形方法，其特征在于，导向棒可单独成形，固定于金属区域上，也可直接成形于金属区域上。
7.根据权利要求2所属的复合成形方法，其特征在于，金属区域的材料包括但不限于铝、铝镁合金、铬镍铁合金和钛合金等。
8.根据权利要求2所属的复合成形方法，其特征在于，导向阵列可为增材制造成形，也可为减材制造成形。
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