CN111633979A - 连续纤维复合材料增材制造z向增强方法及制造设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法及制造设备，属于增材制造领域，包括以下步骤，建立预成形连续纤维增强复合材料件的三维模型；采用分层软件对三维模型进行分层处理得到层片数据文件；层片数据文件被转换成能够直接被增材制造设备所识别的成形路径驱动信号文件；根据所述驱动信号文件进行打印，旨在解决现有技术中存在的技术问题。

Description

连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法及制造设备
技术领域
本发明属于增材制造领域，特别涉及一种连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法及制造设备。
背景技术
连续纤维复合材料增材制造是复合材料成形、增材制造领域的交叉研究方向，主要应用于复合材料飞行器结构设计与制造，将大幅提升飞行器制造效率及综合性能，同时应用于新能源汽车等前沿领域，具有重要研究意义和广阔应用前景，成为国内外研究的热点和难点。
目前，美国Mark Forged公司、东京理科大学、日本丰桥技术科学大学、英国中央兰开夏大学，以及国内西安交通大学、机械科学研究总院集团有限公司等已基于FDM工艺开展了连续纤维复合材料增材制造工艺研究，并开发出相应设备，但仅能实现X/Y方向纤维取向增强，尚未解决Z向增强问题，造成复合材料综合性能较低。因此，开发一种新型连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法，实现复合材料成形件Z向强度及其整体性能的有效增强是解决这一问题的有效途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法及制造设备，旨在解决现有技术中存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法，包括以下步骤：
建立预成形连续纤维增强复合材料件的三维模型；
采用分层软件对三维模型进行分层处理得到层片数据文件；
层片数据文件被转换成能够直接被增材制造设备所识别的成形路径驱动信号文件；
根据所述驱动信号文件进行打印。
优选的，打印时，先在成形基板上打印第一层单向复合材料丝束，然后进行缠绕式打印，即在垂直于第一层单向复合材料丝束的方向上进行包绕式打印，形成第二层复合材料丝束，最后重复上述操作，形成若干层交替缠绕式复合材料丝束。
优选的，打印第一层单向复合材料丝束时，依次在成形基板的上表面、侧表面、下表面以及另一侧表面的位置打印，使形成环形丝束。
优选的，所述第一层单向复合材料丝束的长度方向垂直于YZ面，所述第一层单向复合材料丝束由多个单个丝束依次排列而成。
优选的，所述第二层复合材料丝束沿着垂直于第一层单向复合材料丝束长度方向的方向进行包绕，且在第一层单向复合材料丝束的整个长度上进行整体包绕。
优选的，所述第二层复合材料丝束由多个单个丝束依次排列而成。
优选的，待打印零件冷却后，从成形基板上取下，整理并清扫装置。
为实现上述目的，本发明还提供了一种实现上述增强方法的制造设备，包括打印头，以及用于驱动打印头沿XYZ轴方向运动的调整机构。
优选的，还包括旋转电机，所述旋转电机用于驱动成形基板转动。
优选的，还包括支撑架，所述支撑架用于支撑调整机构以及旋转电机。
本发明提供的连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法及制造设备的有益效果在于，将常见增材制造工艺过程中，由X、Y、Z三个方向简单配合来实现续纤维增强复合材料零部件打印的方式与对打印丝束进行缠绕的方式相结合，可以有效提升最终成形件的Z向强度及其整体性能。
附图说明
图1本发明提供的增材制造设备的结构示意图；
图2本发明提供的连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法得打印流程图。
图中，1、打印头，2、旋转电机，3、成形基板，4、支撑架。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明提供的连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法及制造设备进行进一步的说明。
一种连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法，包括以下步骤：
建立预成形连续纤维增强复合材料件的三维模型；
采用分层软件对三维模型进行分层处理得到层片数据文件；
层片数据文件被转换成能够直接被增材制造设备所识别的成形路径驱动信号文件；
根据所述驱动信号文件进行打印。
1.首先建立预成形连续纤维增强复合材料件的三维模型，然后采用分层软件对模型进行分层处理得到层片数据文件，层片数据文件被转换成能够被增材制造设备所识别的成形路径驱动信号文件；
2.增材制造设备在扫描驱动信号控制下，在成形基板上沿着一个成形方向(如X方向)进行复合材料丝束的往返打印，直至第一层单向复合材料丝束打印完成；
3.增材制造设备再在扫描驱动信号控制下，使打印出的复合材料丝束沿着另外两个垂直方向(如Y、Z方向)对已打印丝束进行缠绕，直至第二层缠绕打印完成；
4.依次交替重复以上两个打印过程，直至整个零件打印结束。
作为本发明提供的连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法的一种具体实施方式，打印时，先在成形基板上打印第一层单向复合材料丝束，然后进行缠绕式打印，即在垂直于第一层单向复合材料丝束的方向上进行包绕式打印，形成第二层复合材料丝束，最后重复上述操作，形成若干层交替缠绕式复合材料丝束。
增材制造过程可以根据预制连续纤维增强复合材料零部件的结构特点，对已打印丝束采用不同的缠绕方式，以实现对于最终成形件Z向强度及其整体性能的有效增强。
连续纤维增强复合材料的基体相为金属材料或非金属材料，增材制造设备的成形基板为长方体、正方体、圆柱体、椭圆柱体等形状。
作为本发明提供的连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法的一种具体实施方式，打印第一层单向复合材料丝束时，依次在成形基板的上表面、侧表面、下表面以及另一侧表面的位置打印，使形成环形丝束。
1.成形基板上表面打印：增材制造设备X、Y轴电机旋转，使打印头在长方体成形基板上表面沿着X方向进行复合材料丝束的往返直线打印，直至基板上表面第一层单向复合材料丝束打印完成。
2.成形基板左表面打印：增材制造设备旋转轴电机旋转，使成形基板沿YZ平面顺时针方向旋转90°，然后Z轴电机旋转，调整打印头至合适高度，最后X、Y轴电机旋转，使打印头在长方体成形基板左表面沿着X方向进行复合材料丝束的往返直线打印，直至基板左表面第一层单向复合材料丝束打印完成。
3.成形基板下表面打印：增材制造设备旋转轴电机旋转，使成形基板沿YZ平面顺时针方向旋转90°，然后Z轴电机旋转，调整打印头至合适高度，最后X、Y轴电机旋转，使打印头在长方体成形基板下表面沿着X方向进行复合材料丝束的往返直线打印，直至基板下表面第一层单向复合材料丝束打印完成。
4.成形基板右表面打印：增材制造设备旋转轴电机旋转，使成形基板沿YZ平面顺时针方向旋转90°，然后Z轴电机旋转，调整打印头至合适高度，最后X、Y轴电机旋转，使打印头在长方体成形基板右表面沿着X方向进行复合材料丝束的往返直线打印，直至基板右表面第一层单向复合材料丝束打印完成。
5.缠绕式打印：增材制造设备旋转轴电机旋转，使成形基板沿YZ平面顺时针方向旋转，同时X、Y、Z轴电机旋转，实时调整打印头与成形基板间的相对位置，使得打印出的复合材料丝束沿着Y-Z方向对已打印丝束进行缠绕，直至成形基板表面第二层缠绕打印完成。
作为本发明提供的连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法的一种具体实施方式，所述第一层单向复合材料丝束的长度方向垂直于YZ面，所述第一层单向复合材料丝束由多个单个丝束依次排列而成。
作为本发明提供的连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法的一种具体实施方式，所述第二层复合材料丝束沿着垂直于第一层单向复合材料丝束长度方向的方向进行包绕，且在第一层单向复合材料丝束的整个长度上进行整体包绕。
作为本发明提供的连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法的一种具体实施方式，所述第二层复合材料丝束由多个单个丝束依次排列而成。
作为本发明提供的连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法的一种具体实施方式，待打印零件冷却后，从成形基板上取下，整理并清扫装置。
本发明还提供了一种实现上述增强方法的制造设备，包括打印头，以及用于驱动打印头沿XYZ轴方向运动的调整机构。
优选的，还包括旋转电机，所述旋转电机用于驱动成形基板转动。
优选的，还包括支撑架，所述支撑架用于支撑调整机构以及旋转电机。
本发明提供的连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法及制造设备的有益效果在于，将常见增材制造工艺过程中，由X、Y、Z三个方向简单配合来实现续纤维增强复合材料零部件打印的方式与对打印丝束进行缠绕的方式相结合，可以有效提升最终成形件的Z向强度及其整体性能。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法，其特征在于，
建立预成形连续纤维增强复合材料件的三维模型；
采用分层软件对三维模型进行分层处理得到层片数据文件；
层片数据文件被转换成能够直接被增材制造设备所识别的成形路径驱动信号文件；
根据所述驱动信号文件进行打印。
2.如权利要求1所述的连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法，其特征在于，打印时，
先在成形基板上打印第一层单向复合材料丝束，然后进行缠绕式打印，即在垂直于第一层单向复合材料丝束的方向上进行包绕式打印，形成第二层复合材料丝束，最后重复上述操作，形成若干层交替缠绕式复合材料丝束。
3.如权利要求2所述的连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法，其特征在于，打印第一层单向复合材料丝束时，依次在成形基板的上表面、侧表面、下表面以及另一侧表面的位置打印，使形成环形丝束。
4.如权利要求3所述的连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法，其特征在于，所述第一层单向复合材料丝束的长度方向垂直于YZ面，所述第一层单向复合材料丝束由多个单个丝束依次排列而成。
5.如权利要求4所述的连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法，其特征在于，所述第二层复合材料丝束沿着垂直于第一层单向复合材料丝束长度方向的方向进行包绕，且在第一层单向复合材料丝束的整个长度上进行整体包绕。
6.如权利要求5所述的连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法，其特征在于，所述第二层复合材料丝束由多个单个丝束依次排列而成。
7.如权利要求2所述的连续纤维复合材料增材制造Z向增强方法，其特征在于，待打印零件冷却后，从成形基板上取下，整理并清扫装置。
8.一种实现上述增强方法的制造设备，其特征在于，包括打印头，以及用于驱动打印头沿XYZ轴方向运动的调整机构。
9.如权利要求8所述的制造设备，其特征在于，还包括旋转电机，所述旋转电机用于驱动成形基板转动。
10.如权利要求9所述的制造设备，其特征在于，还包括支撑架，所述支撑架用于支撑调整机构以及旋转电机。
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