CN111674035A - 仿生多级螺旋结构增强复合材料的3d打印方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印方法与装置，该装置包括数字化连续纤维编织系统、成型制造系统及控制系统，根据预定义的几何模型和内部多级螺旋缠绕纤维分布模式，建立相关三维模型，并进行离散化处理；利用纤维编织系统引导连续纤维增强的复合丝材编织成多级仿生螺旋缠绕结构，进一步用于3D打印成型系统；最后通过后处理固化成型，实现了强韧化仿生复合材料样件的制备，本发明在航空航天、汽车、船舶和风力发电等领域高端装备的关键部件具有巨大的应用潜力。

Description

仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印方法与装置
技术领域
本发明属于增材制造领域，特别涉及仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印方法与装置。
背景技术
航空航天、汽车、船舶和风力发电等领域的高端装备通常在较为严苛的环境中服役，这要求其关键部件材料同时具备高强与高韧的特性，而工程材料往往为了获得高强度以牺牲其断裂延伸率和韧性为代价，无法实现强度与韧性协同增效。反观自然，动植物的部分材料组织(例如植物的棉麻纤维、动物的毛发和蚕丝)有效规避了强与韧的性能矛盾问题，实现了高强度与高韧性的完美组合。研究表明，这些典型的生物结构材料具有一些共性：它们都是天然多级复合材料，高度有序的纤维编织成多级螺旋缠绕结构，有效包裹在较柔软的有机物基质中。
然而，受制于设计手段与制造工艺的限制，面向强韧化材料的结构创新与制造技术长期处于探索阶段，而自然界的层级螺旋结构为强韧化仿生复合材料的设计提供了新的制造思路，但依然缺乏工程化技术手段。
发明内容
为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提供仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印方法及装置，可实现复合材料内增强相连续纤维的多级螺旋缠绕，进而协同增强材料的强度与韧性。
本发明之仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印装置：包括成型制造系统、数字化连续纤维编织系统及控制系统；
所述数字化连续纤维编织系统含有1级、2级、3级....n级缠绕系统；
所述数字化连续纤维编织系统的基本缠绕系统单元是由两个材料输送系统及一个编码缠绕器组成；
所述材料输送系统包括挤出头固定装置、系统支架、上级丝材(纤维)输送器、流体基质输送装置及复合器；其中挤出头固定装置、上级丝材(纤维)输送器、流体基质输送装置及复合器固定在系统支架上；上级丝材(纤维)输送器位于复合器上方；流体基质输送装置与复合器直接相接；挤出头固定装置内含复合丝材输出头。
所述编码缠绕器包括引线器和缠绕装置；
所述成型制造系统包括三维运动系统、多级仿生缠绕复合丝材输送器、挤出装置、复合丝材裁剪装置；其中三维运动系统可控制成型制造系统在X、Y、Z三个。方向的运动；多级仿生缠绕复合丝材输送器位于挤出装置上方；复合丝材裁剪装置固定在挤出装置，可沿挤出装置斜面方向上下运动，并能实现180°的旋转剪切。
本发明之仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印方法，包括以下步骤：
第一步：基质材料由聚合物和易挥发的有机溶剂组成
所述聚合物体积比为44-78vol.％，所述有机溶剂体积比为22-56vol.％；
所述聚合物是由聚乳酸、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯材料中的一种或多种组成；
所述有机溶剂为丙酮或二甲基甲酰胺易挥发性溶剂；
所述基质材料是将聚合物分三次等份加入到有机溶剂中，完全溶解并混合均匀，制备完成后备用，获得的材料黏度控制在2600～5800Pa·s；
连续性增强纤维是由玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维及聚芳酰胺纤维以及极细金属丝中的一种或多种组成；
第二步：多级螺旋缠绕结构增强仿生复合材料的3D打印
步骤1：三维模型的构建：根据强韧化仿生复合材料预定义的几何模型和内部多级螺旋缠绕纤维分布模式，建立相关三维模型，随后对模型进行离散化处理，获得相关编织器运动代码、挤出头运动路径及相关工艺参数设定。
步骤2：多级仿生缠绕结构运动编码
根据仿生复合材料模型中仿生结构的级数及缠绕方式，确定数字化连续纤维编织系统的工作模式，包括各级缠绕系统参与工作的材料输送器的个数及工序位置、纤维束输送速度、编码缠绕器旋转输出速度及方向(顺时针或逆时针)、基质材料输送速度；
步骤3：对连续纤维束进行预分组
接入初级(1级)纤维输送器，利用纤维输送装置将纤维束推入材料复合器内，同时将基质材料由流体基质输送装置输送至复合器内，预处理复合材料系统从喷嘴处挤出；
步骤4：将从初级输送器挤出的连续纤维材料通过引线器接入缠绕编码器中，根据步骤2所得缠绕装置旋转速度及方向进行初级仿生结构纤维缠绕编码；
步骤5：根据步骤1及步骤2中预定义仿生复合材料的级数及编织工序，重复步骤3至步骤4工作，进行2级、3级...n级仿生纤维缠绕结构的制备；
步骤6：根据步骤1所得预定义三维模型的挤出头运动路径及相关工艺参数设定，将数字化连续纤维编织系统的多级仿生纤维丝材用于成型制造系统，进行三维实体首层结构的打印成型；
步骤7：当换层、换方向等需要打印丝材断开操作时，利用裁剪装置对纤维丝材进行裁剪断开；
步骤8：重复步骤6至步骤7，进行三维实体第2层、第3层.....第n层结构的打印，直至模型打印完成；
第三步：仿生多级纤维增强复合材料三维样件的后处理
将打印完成的三维实体样件置于烘干箱内，烘干温度需低于热塑性聚合物玻璃化转变温度15℃，通常设置在40-60℃，时间为0.5-48h，以样件内有机溶剂完全挥发为准，最后从烘干箱取出放置室温条件下冷却，实现强韧性仿生复合材料三维样件的打印；
所述第二步中多级仿生缠绕结构的运动编码，第n级材料输送速度是上级(n-1级)材料螺旋缠绕系统编码器的输出速度。
所述第二步中，关于各级缠绕系统的运动编码，其中纤维束输送速度与基质材料输送速度一致(定义为νmm/s)；编码缠绕器旋转方向为顺时针或逆时针旋转；编码缠绕器的旋转线速度须与基质材料输送速度保持一定的差值，速度范围为(ν-5)—(ν+5)mm/s。
本发明的有益成果：
本发明基于3D打印的工艺原理设计了仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印方法及装置，区别于传统连续纤维增强复合材料3D打印技术中单一纤维束结构增强，本发明的方法与装置能够实现仿生多级螺旋缠绕复合丝材的制造及打印成型，在实现打印样件强韧特性协同增强的同时，其增强、增韧程度更是得到大幅度的提升，除此之外，本发明所使用的基质材料由聚合物与有机溶剂均匀混合而成，打印过程中聚合物内有机溶剂缓慢挥发，打印完成后，后处理再进一步有效去除有机溶剂，这种方法有利于改善传统FDM打印工艺中层间粘结强度，有效提高了材料强度，增强打印样件的工程实用性。
附图说明
图1为本发明所涉及的仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印装置整体示意图。
图2为本发明所涉及3D打印系统中数字化连续纤维编织系统基本结构单元内材料输送系统的结构示意图；
图3为本发明所涉及3D打印系统中数字化连续纤维编织系统基本结构单元内编码缠绕器的结构示意图；
图4为本发明所涉及3D打印系统中的成型制造系统结构示意图；
图5为本发明具体实施例中数字化连续纤维编织系统实现的单方向缠绕编织的仿生复合丝材结构；
图6为本发明具体实施例中数字化连续纤维编织系统实现的双方向缠绕编织的仿生复合丝材结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
参见图1至图6，一种仿生多级螺旋缠绕纤维增强复合材料的3D打印装置，包括成型制造系统1、数字化连续纤维编织系统2及控制系统3；
所述数字化连续纤维编织系统2含有1级、2级、3级....n级缠绕系统；
所述数字化连续纤维编织系统2的基本缠绕系统单元是由两个材料输送系统及一个编码缠绕器组成；
所述材料输送系统包括挤出头固定装置4、系统支架5、上级丝材(纤维)输送器6、流体基质输送装置7及复合器8；其中挤出头固定装置4、上级丝材(纤维)输送器6、流体基质输送装置7及复合器8固定在系统支架5上；上级丝材(纤维)输送器6位于复合器(8)上方；流体基质输送装置7与复合器8直接相接；挤出头固定装置4内含复合丝材输出头。
所述编码缠绕器包括引线器9和缠绕装置10；
所述成型制造系统1包括三维运动系统11、多级仿生缠绕复合丝材输送器12、挤出装置13、复合丝材裁剪装置14；其中三维运动系统11可控制成型制造系统在X、Y、Z三个。方向的运动；多级仿生缠绕复合丝材输送器12位于挤出装置13上方；复合丝材裁剪装置14固定在挤出装置13，可沿挤出装置13斜面方向上下运动，并能实现180°的旋转剪切。
仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印方法，具体步骤如下：
实施例1
1.将57vol.％的聚乳酸与43vol.％的丙酮均匀混合溶解，作为基质材料，连续性碳纤维束作为增强材料；
2.根据强韧化仿生复合材料预定义的几何模型和内部多级螺旋缠绕纤维分布模式，建立相关三维模型，随后对模型进行离散化处理，获得相关编织器运动代码、挤出头运动路径及相关工艺参数设定；
3.参见图5，根据仿生复合材料模型中仿生结构的级数及缠绕方式，确定参与缠绕编码的为三级缠绕系统，初级缠绕系统包括4个基本缠绕单元，2级缠绕系统包括2个基本缠绕单元，3级缠绕系统包括1个基本缠绕单元；初级、2级、3级缠绕系统缠绕编码器的旋转方向均为顺时针旋转，初级材料输送系统的纤维输送速度与基质材料输送速度保持一致，均为8mm/s，缠绕编码器输出速度为7mm/s；
4.对连续纤维束进行预分组，接入初级(1级)纤维输送器，利用纤维输送装置将纤维束推入材料复合器内，同时将基质材料由输送口输送至复合器内，预处理复合材料系统从喷嘴处挤出；
5.从初级输送器挤出的连续纤维材料通过引线器接入缠绕编码器中，根据步骤2所得编码器旋转速度及方向进行初级仿生结构纤维缠绕编码；
6.根据步骤1及步骤2中预定义仿生多级复合材料的级数及编织工序，重复步骤3至步骤4工作，进行2级、3级仿生纤维缠绕结构的制备；
7.根据步骤1所得预定义三维模型的挤出头运动路径及相关工艺参数设定，将数字化连续纤维编织系统的多级仿生纤维丝材用于成型制造系统，进行三维实体首层结构的打印成型；
8.当换层、换方向等需要打印丝材断开操作时，利用裁剪装置对纤维丝材进行裁剪断开；
9.重复步骤6至步骤7，进行三维实体第2层、第3层.....第n层结构的打印，直至模型打印完成；
10.将打印完成的三维实体样件置于烘干箱内，烘干温度设置在50℃，时间为10h，以样件内有机溶剂完全挥发为准，最后从烘干箱取出放置室温条件下冷却，实现强韧性仿生复合材料三维样件的打印。
实施例2:
1.将63vol.％的聚乙烯与37vol.％的丙酮均匀混合溶解，作为基质材料，连续性玻璃纤维束作为增强材料；
2.根据强韧化仿生复合材料预定义的几何模型和内部多级螺旋缠绕纤维分布模式，建立相关三维模型，随后对模型进行离散化处理，获得相关编织器运动代码、挤出头运动路径及相关工艺参数设定；
3.参见图6，根据仿生复合材料模型中仿生结构的级数及缠绕方式，确定参与缠绕编码的为三级缠绕系统，初级缠绕系统包括4个基本缠绕单元，2级缠绕系统包括2个基本缠绕单元，3级缠绕系统包括1个基本缠绕单元，初级、2级、3级缠绕系统缠绕编码器的旋转方向依次为顺时针-逆时针-顺时针，初级材料输送系统的纤维输送速度与基质材料输送速度保持一致，均为10mm/s，缠绕编码器输出速度为8mm/s；
4.对连续纤维束进行预分组，接入初级(1级)纤维输送器，利用纤维输送装置将纤维束推入材料复合器内，同时将基质材料由输送口输送至复合器内，预处理复合材料系统从喷嘴处挤出；
5.将从初级输送器挤出的连续纤维材料通过引线器接入缠绕编码器中，根据步骤2所得编码器旋转速度及方向进行初级仿生结构纤维缠绕编码；
6.根据步骤1及步骤2中预定义仿生多级复合材料的级数及编织工序，重复步骤3至步骤4工作，进行2级、3级仿生纤维缠绕结构的制备；
7.根据步骤1所得预定义三维模型的挤出头运动路径及相关工艺参数设定，将数字化连续纤维编织系统的多级仿生纤维丝材用于成型制造系统，进行三维实体首层结构的打印成型；
8.当换层、换方向等需要打印丝材断开操作时，利用裁剪装置对纤维丝材进行裁剪断开；
9.重复步骤6至步骤7，进行三维实体第2层、第3层.....第n层结构的打印，直至模型打印完成；
10.将打印完成的三维实体样件置于烘干箱内，烘干温度设置在45℃，时间为12h，以样件内有机溶剂完全挥发为准，最后从烘干箱取出放置室温条件下冷却，实现强韧性仿生复合材料三维样件的打印。

Claims (4)

1.仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印装置，其特征在于：包括成型制造系统(1)、数字化连续纤维编织系统(2)及控制系统(3)；
所述数字化连续纤维编织系统(2)含有1级、2级、3级....n级缠绕系统；
所述数字化连续纤维编织系统(2)的基本缠绕系统单元是由两个材料输送系统及一个编码缠绕器组成；
所述材料输送系统包括挤出头固定装置(4)、系统支架(5)、上级丝材(纤维)输送器(6)、流体基质输送装置(7)及复合器(8)；其中挤出头固定装置(4)、上级丝材(纤维)输送器(6)、流体基质输送装置(7)及复合器(8)固定在系统支架(5)上；上级丝材(纤维)输送器(6)位于复合器(8)上方；流体基质输送装置(7)与复合器(8)直接相接；挤出头固定装置(4)内含复合丝材输出头；
所述编码缠绕器包括引线器(9)和缠绕装置(10)；
所述成型制造系统(1)包括三维运动系统(11)、多级仿生缠绕复合丝材输送器(12)、挤出装置(13)、复合丝材裁剪装置(14)；其中三维运动系统(11)可控制成型制造系统在X、Y、Z三个，方向的运动；多级仿生缠绕复合丝材输送器(12)位于挤出装置(13)上方；复合丝材裁剪装置(14)固定在挤出装置(13)，可沿挤出装置(13)斜面方向上下运动，并能实现180°的旋转剪切。
2.仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：选择材料并制备材料
基质材料由聚合物和易挥发的有机溶剂组成；
所述聚合物体积比为44-78vol.％，所述有机溶剂体积比为22-56vol.％；
所述聚合物是由聚乳酸、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯材料中一种或多种组成，
所述有机溶剂为丙酮或二甲基甲酰胺易挥发性溶剂；
所述基质材料是将聚合物分三次等份加入到有机溶剂中，完全溶解并混合均匀，制备完成后备用，获得的材料黏度控制在2600～5800Pa·s；
连续性增强纤维包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维及聚芳酰胺纤维以及极细金属丝中的一种或多种；
第二步：3D打印多级螺旋缠绕结构增强仿生复合材料
步骤1：三维模型的构建
根据强韧化仿生复合材料预定义的几何模型和内部多级螺旋缠绕纤维分布模式，建立相关三维模型，随后对模型进行离散化处理，获得相关编织器运动代码、挤出头运动路径及相关工艺参数设定；
步骤2：多级仿生缠绕结构运动编码
根据仿生复合材料模型中仿生结构的级数及缠绕方式，确定数字化连续纤维编织系统的工作模式，包括各级缠绕系统参与工作的材料输送器的个数及工序位置、纤维束输送速度、编码缠绕器旋转输出速度及方向、基质材料输送速度；
步骤3：对连续纤维束进行预分组，接入1级纤维输送器，利用纤维输送装置(6)将纤维束推入材料复合器(8)内，同时将基质材料由流体基质输送装置(7)输送至复合器(8)内，预处理复合材料系统从喷嘴处挤出；
步骤4：将从初级输送器挤出的连续纤维材料通过引线器(9)接入缠绕编码器中，根据步骤2所得缠绕装置(10)旋转速度及方向进行初级仿生结构纤维缠绕编码；
步骤5：根据步骤1及步骤2中预定义仿生复合材料的级数及编织工序，重复步骤3至步骤4工作，进行2级、3级...n级仿生纤维缠绕结构的制备；
步骤6：根据步骤1所得预定义三维模型的挤出头运动路径及相关工艺参数设定，将数字化连续纤维编织系统(2)的多级仿生纤维丝材用于成型制造系统(1)，进行三维实体首层结构的打印成型；
步骤7：当需要换层、换方向等打印丝材断开操作时，利用裁剪装置(14)对纤维丝材进行裁剪断开；
步骤8：重复步骤6至步骤7，进行三维实体第2层、第3层.....第n层结构的打印，直至模型打印完成；
第三步：仿生多级纤维增强复合材料三维样件的后处理
将打印完成的三维实体样件置于烘干箱内，烘干温度需低于热塑性聚合物玻璃化转变温度15℃，通常设置在40-60℃，时间为0.5-48h，以样件内有机溶剂完全挥发为准，最后从烘干箱取出放置室温条件下冷却，实现强韧性仿生复合材料三维样件的打印。
3.根据权利要求2所述的仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印方法，其特征在于：所述第二步中，关于多级仿生缠绕结构的运动编码，第n级材料输送速度与上级(n-1级)材料螺旋缠绕系统的编码器的输出速度一致。
4.根据权利要求2所述的仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印方法，其特征在于：所述第二步中，关于各级缠绕系统的运动编码，其中纤维束输送速度与基质材料输送速度一致(定义为νmm/s)；编码缠绕器旋转方向为顺时针或逆时针旋转；编码缠绕器的旋转线速度须与基质材料输送速度保持一定的差值，速度范围为(ν-5)—(ν+5)mm/s。
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