CN114031794B - 一种基于3d打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料及制备方法 - Google Patents
一种基于3d打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料及制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114031794B CN114031794B CN202111285710.XA CN202111285710A CN114031794B CN 114031794 B CN114031794 B CN 114031794B CN 202111285710 A CN202111285710 A CN 202111285710A CN 114031794 B CN114031794 B CN 114031794B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fibers
- reinforced composite
- composite material
- continuous fiber
- fiber reinforced
- 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
Links
- 239000003733 fiber-reinforced composite Substances 0.000 title claims abstract description 71
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 67
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 122
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 38
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims description 17
- -1 polyethylene Polymers 0.000 claims description 9
- 229920000431 shape-memory polymer Polymers 0.000 claims description 9
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 6
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 6
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 6
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 6
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M Acrylate Chemical compound [O-]C(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 5
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 4
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 4
- ICXAPFWGVRTEKV-UHFFFAOYSA-N 2-[4-(1,3-benzoxazol-2-yl)phenyl]-1,3-benzoxazole Chemical compound C1=CC=C2OC(C3=CC=C(C=C3)C=3OC4=CC=CC=C4N=3)=NC2=C1 ICXAPFWGVRTEKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 235000017166 Bambusa arundinacea Nutrition 0.000 claims description 3
- 235000017491 Bambusa tulda Nutrition 0.000 claims description 3
- 229920002748 Basalt fiber Polymers 0.000 claims description 3
- 240000008564 Boehmeria nivea Species 0.000 claims description 3
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 240000000491 Corchorus aestuans Species 0.000 claims description 3
- 235000011777 Corchorus aestuans Nutrition 0.000 claims description 3
- 235000010862 Corchorus capsularis Nutrition 0.000 claims description 3
- 229920000181 Ethylene propylene rubber Polymers 0.000 claims description 3
- 125000000174 L-prolyl group Chemical group [H]N1C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[C@@]1([H])C(*)=O 0.000 claims description 3
- 240000006240 Linum usitatissimum Species 0.000 claims description 3
- 235000004431 Linum usitatissimum Nutrition 0.000 claims description 3
- 229920000459 Nitrile rubber Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 claims description 3
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 3
- 244000082204 Phyllostachys viridis Species 0.000 claims description 3
- 235000015334 Phyllostachys viridis Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 claims description 3
- 239000005062 Polybutadiene Substances 0.000 claims description 3
- 239000004697 Polyetherimide Substances 0.000 claims description 3
- 229920002873 Polyethylenimine Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 3
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 3
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 claims description 3
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229920000122 acrylonitrile butadiene styrene Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004676 acrylonitrile butadiene styrene Substances 0.000 claims description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000004760 aramid Substances 0.000 claims description 3
- 229920006231 aramid fiber Polymers 0.000 claims description 3
- 239000011425 bamboo Substances 0.000 claims description 3
- JUPQTSLXMOCDHR-UHFFFAOYSA-N benzene-1,4-diol;bis(4-fluorophenyl)methanone Chemical compound OC1=CC=C(O)C=C1.C1=CC(F)=CC=C1C(=O)C1=CC=C(F)C=C1 JUPQTSLXMOCDHR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229920001973 fluoroelastomer Polymers 0.000 claims description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229920003049 isoprene rubber Polymers 0.000 claims description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 claims description 3
- 229920001084 poly(chloroprene) Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002857 polybutadiene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 claims description 3
- 229920001601 polyetherimide Polymers 0.000 claims description 3
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 3
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 3
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 claims description 3
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 3
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 claims description 3
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 claims description 3
- KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 2-methoxy-6-methylphenol Chemical compound [CH]OC1=CC=CC([CH])=C1O KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229920000178 Acrylic resin Polymers 0.000 claims 1
- 239000004925 Acrylic resin Substances 0.000 claims 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims 1
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 claims 1
- 239000005011 phenolic resin Substances 0.000 claims 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 4
- 238000011960 computer-aided design Methods 0.000 description 4
- 239000011295 pitch Substances 0.000 description 3
- QLZJUIZVJLSNDD-UHFFFAOYSA-N 2-(2-methylidenebutanoyloxy)ethyl 2-methylidenebutanoate Chemical compound CCC(=C)C(=O)OCCOC(=O)C(=C)CC QLZJUIZVJLSNDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 2
- DHKHKXVYLBGOIT-UHFFFAOYSA-N acetaldehyde Diethyl Acetal Natural products CCOC(C)OCC DHKHKXVYLBGOIT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000002777 acetyl group Chemical class [H]C([H])([H])C(*)=O 0.000 description 2
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 2
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 2
- 239000005042 ethylene-ethyl acrylate Substances 0.000 description 2
- 229920006244 ethylene-ethyl acrylate Polymers 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N phenol group Chemical group C1(=CC=CC=C1)O ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011208 reinforced composite material Substances 0.000 description 2
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 2
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
- C08J5/0405—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with inorganic fibres
- C08J5/042—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with inorganic fibres with carbon fibres
-
- 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
- B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
- B29C64/118—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using filamentary material being melted, e.g. fused deposition modelling [FDM]
-
- 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
- B29C64/386—Data acquisition or data processing for 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
- B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
- B33Y70/10—Composites of different types of material, e.g. mixtures of ceramics and polymers or mixtures of metals and biomaterials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
- C08J5/0405—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with inorganic fibres
- C08J5/041—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with inorganic fibres with metal fibres
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
- C08J5/0405—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with inorganic fibres
- C08J5/043—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with inorganic fibres with glass fibres
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
- C08J5/045—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with vegetable or animal fibrous material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
- C08J5/046—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with synthetic macromolecular fibrous material
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于3D打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料及制备方法，通过改变纤维类型、基体材料类型、纤维含量和纤维方向，实现变刚度混杂连续纤维增强复合材料的设计。与现有混杂连续纤维复合材料设计相比，本发明可通过材料类型和纤维分布的设计，匹配构件的应用条件、经济需求和载荷分布，极大化发挥纤维与基体材料的性能优势。同时，本发明所提制备方法，可以精确调控多种连续纤维、基体材料在构件中的位置分布，实现构件性能逐点可控，并且不需要模具，过程简单，实现了复杂变刚度混杂连续纤维增强复合材料的高性能低成本制备。
Description
技术领域
本发明属于连续纤维增强复合材料技术领域，具体涉及一种基于 3D打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料及其制备方法。
背景技术
连续纤维增强复合材料具有比强度高、比模量高、可设计性强和多功能等优点，在航天航空、轨道交通等国家重大建设工程中具有广泛的应用前景。混杂连续纤维增强复合材料利用两种或多种连续纤维与基体材料复合，可以改善单一连续纤维增强复合材料的性能，如采用玻璃纤维与碳纤维混杂，提升连续碳纤维增强复合材料的韧性，解决连续碳纤维增强复合材料耐冲击性能差的限制。然而，传统连续纤维增强复合材料制备工艺过程复杂，难以实现两种或多种连续纤维、基体材料在构件中位置、形状的精确调控，限制了混杂连续纤维增强复合材料的应用和发展。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于 3D打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料及其制备方法，拓展了连续纤维增强复合材料的设计空间，并实现了变刚度混杂连续纤维增强复合材料的快速、低成本一体化制备。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于3D打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料，其根据变刚度混杂连续纤维增强复合材料的应用条件、经济需求和载荷分布，变刚度混杂连续纤维增强复合材料不同部位的连续纤维、基体材料类型可设计，并且局部连续纤维的方向和含量可非均匀设计，形成变刚度混杂连续纤维增强复合材料。
在本申请的一些实施例中，所述的局部连续纤维含量非均匀设计，纤维含量与工艺参数有关，方法如下：
其中，Vf为纤维含量，S为连续纤维等效截面积，H为填充间距， L为层厚；
通过设计局部的填充间距和层厚，得到局部非均匀的纤维含量设计。
在本申请的一些实施例中，所述的连续纤维为碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玻璃纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维、玄武岩纤维、聚酰亚胺纤维、金属纤维、SiC纤维、导电高分子纤维、石墨纤维、硼纤维、氮化硅纤维、苎麻纤维、黄麻纤维、亚麻纤维或竹纤维。
在本申请的一些实施例中，所述的基体材料为PLA、PEEK、PI、 PEI、ABS、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙缩醛、丙烯酸树脂、乙烯丙烯酸乙酯、尼龙、酚醛树脂、聚苯乙烯、聚氨酯、聚偏二氟乙烯、丁苯橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、丙烯酸酯橡胶、丙烯酸脂体系形状记忆聚合物、硫醇-烯烃体系形状记忆聚合物、环氧树脂体系形状记忆聚合物或低熔点合金。
在本申请的一些实施例中，一种基于3D打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据变刚度混杂连续纤维增强复合材料的尺寸特征，利用计算机辅助设计软件，建立变刚度混杂连续纤维增强复合材料的三维模型；
2)将变刚度混杂连续纤维增强复合材料的三维模型导入有限元分析软件，对其施加实际工况载荷，获取变刚度混杂连续纤维增强复合材料中的载荷分布数据，根据载荷分布数据，对变刚度混杂连续纤维增强复合材料进行子区域划分处理；
3)根据子区域的载荷分布数据和性能需求，为子区域选择连续纤维和基体材料；
4)根据所选连续纤维和基体材料，设计打印喷头数量及类型；根据步骤2)的载荷分布，设计纤维分布，规划打印路径，计算工艺参数，生成与3D打印装备相匹配的数据文件；
5)将与3D打印装备相匹配的数据文件导入到3D打印装备，根据步骤4)的打印路径，一体化成形变刚度混杂连续纤维增强复合材料。
在本申请的一些实施例中，所述的步骤1)中计算机辅助设计软件为AutodeskInventor、SolidWorks、CATIA、中望3D、Pro/E、 AutoCAD、UG NX、SolidEdge或Onespace。
在本申请的一些实施例中，所述的步骤2)中有限元分析软件为 LUSAS、MSC.Nastran、Ansys、Abaqus、LMS-Samtech、Algor、 Femap/NX Nastran、Hypermesh、COMSOLMultiphysics或FEPG。
在本申请的一些实施例中，所述步骤4)中打印路径规划采用离散思想，将已设计的纤维分布离散成纤维轨迹点，通过有序提取纤维轨迹点，生成3D打印装备可识别和执行的位置数据。
在本申请的一些实施例中，所述步骤4)中工艺参数的计算，方法如下：
其中，E为基体材料进给量，δ为材料补偿系数，d为当前打印段的距离，S为连续纤维等效截面积，Vf为纤维含量，R为基体材料丝材半径；
通过逐段确定每一段所需的基体材料进给量，生成工艺参数数据；结合位置数据，即可生成与3D打印装备相匹配的数据文件。
在本申请的一些实施例中，所述步骤5)中所述的3D打印装备为 3自由度连续纤维增强复合材料3D打印机或多自由度连续纤维增强复合材料3D打印机。
本发明的优点：与现有技术相比，本发明拓展了连续纤维增强复合材料的设计空间，进一步发掘了连续纤维对复合材料的增强效果，提供了一种基于3D打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料及其制备方法。与现有混杂连续纤维复合材料设计相比，本发明可通过纤维类型、基体材料类型、纤维方向和纤维含量的设计，匹配构件的应用条件、经济需求和载荷分布，极大化发挥多种纤维和基体材料的性能优势，提高材料使用效率和构件整体性能。与现有混杂连续纤维增强复合材料制备方法相比，本发明可通过喷头设计、路径规划、工艺参数控制，实现多种连续纤维、基体材料在构件中位置的精确调控，并且不需要模具，过程简单，实现了复杂变刚度混杂连续纤维增强复合材料的快速一体化制备。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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与实施例。
图1是混杂连续纤维增强复合材料层合板示意图。
图2是混杂连续纤维增强复合材料壳体示意图。
图3是变刚度混杂连续纤维增强复合材料制备工艺流程图。
图4是混杂连续纤维增强复合材料层合板子区域划分示意图。
图5变刚度混杂连续纤维增强复合材料制备过程示意图。
1-连续纤维1，2-连续纤维2，3-剪断装置，4-送丝装置，5-基体材料1，6-基体材料2，7-变刚度混杂连续纤维复合材料。
具体实施方式
下面结合实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于更在本申请的一些实施例中解释本申请，但不用来限制本申请的范围。
请参阅图1和图2，一种基于3D打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料通过改变不同部位的连续纤维、基体材料类型、局部连续纤维的方向和含量，实现满足应用条件、经济需求和载荷分布的变刚度混杂连续纤维增强复合材料设计。
在本申请的一些实施例中，所述的局部连续纤维含量可非均匀设计，纤维含量与工艺参数有关，方法如下：
其中，Vf为纤维含量，S为连续纤维等效截面积，H为填充间距， L为层厚；
通过设计局部的填充间距和层厚，可以得到局部非均匀的纤维含量设计。
在本申请的一些实施例中，所述的连续纤维为碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玻璃纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维、玄武岩纤维、聚酰亚胺纤维、金属纤维、SiC纤维、导电高分子纤维、石墨纤维、硼纤维、氮化硅纤维、苎麻纤维、黄麻纤维、亚麻纤维或竹纤维。
在本申请的一些实施例中，所述的基体材料为PLA、PEEK、PI、 PEI、ABS、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙缩醛、丙烯酸树脂、乙烯丙烯酸乙酯、尼龙、酚醛树脂、聚苯乙烯、聚氨酯、聚偏二氟乙烯、丁苯橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、丙烯酸酯橡胶、丙烯酸脂体系形状记忆聚合物、硫醇-烯烃体系形状记忆聚合物、环氧树脂体系形状记忆聚合物或低熔点合金。
请参阅图3，一种基于3D打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据变刚度混杂连续纤维增强复合材料的尺寸特征，利用计算机辅助设计(CAD)软件，建立变刚度混杂连续纤维增强复合材料的三维模型；
2)将变刚度混杂连续纤维增强复合材料的三维模型导入有限元分析软件，对其施加实际工况载荷，获取变刚度混杂连续纤维增强复合材料中的载荷分布数据，根据载荷分布数据，对变刚度混杂连续纤维增强复合材料进行子区域划分处理；
3)根据子区域的载荷分布数据和性能需求，为子区域选择连续纤维和基体材料；
4)根据所选连续纤维和基体材料，设计打印喷头数量及类型；根据步骤2)的载荷分布，设计纤维分布，规划打印路径，计算工艺参数，生成与3D打印装备相匹配的数据文件；
5)将与3D打印装备相匹配的数据文件导入到3D打印装备，根据步骤4)的打印路径，一体化成形变刚度混杂连续纤维增强复合材料。
在本申请的一些实施例中，所述的步骤1)中计算机辅助设计 (CAD)软件为Autodesk Inventor、SolidWorks、CATIA、中望3D、 Pro/E、AutoCAD、UG NX、SolidEdge或Onespace。
在本申请的一些实施例中，所述的步骤2)中有限元分析软件为 LUSAS、MSC.Nastran、Ansys、Abaqus、LMS-Samtech、Algor、 Femap/NX Nastran、Hypermesh、COMSOLMultiphysics或FEPG。
在本申请的一些实施例中，所述步骤4)中打印路径规划采用离散思想，将已设计的纤维分布离散成纤维轨迹点，通过有序提取纤维轨迹点，生成3D打印装备可识别和执行的位置数据。
在本申请的一些实施例中，所述步骤4)中工艺参数的计算，方法如下：
其中，E为基体材料进给量，δ为材料补偿系数，d为当前打印段的距离，S为连续纤维等效截面积，Vf为纤维含量，R为基体材料丝材半径；
通过逐段确定每一段所需的基体材料进给量，生成工艺参数数据；结合位置数据，即可生成与3D打印装备相匹配的数据文件。
在本申请的一些实施例中，所述步骤5)中所述的3D打印装备为 3自由度连续纤维增强复合材料3D打印机或多自由度连续纤维增强复合材料3D打印机。
实施例1
一种基于3D打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料，其3D 打印成型方法参见图3，主要包括以下几个步骤：
1)根据变刚度混杂连续纤维增强复合材料的尺寸特征，利用SolidWorks建立变刚度混杂连续纤维增强复合材料的三维模型；
2)将变刚度混杂连续纤维增强复合材料的三维模型导入，对其施加实际工况载荷，获取变刚度混杂连续纤维增强复合材料中的载荷分布数据，根据载荷分布数据，对变刚度混杂连续纤维增强复合材料进行子区域划分处理，子区域划分参见图4；
3)根据子区域的载荷分布数据和性能需求，为子区域选择连续纤维和基体材料，其中子区域1、子区域3、子区域 5和子区域7选择连续纤维1和基体材料1，子区域2、子区域4和子区域6选择连续纤维1、连续纤维2的混合纤维和基体材料2；
4)参见图5，根据所选连续纤维和基体材料，选择双喷头，其中一个喷头以连续纤维1和基体材料1为输入材料，另一个喷头以连续纤维1、连续纤维2和基体材料为原材料；
根据步骤2)的载荷分布，设计纤维分布，其中子区域1、子区域3、子区域5和子区域7为纤维含量1，子区域2和子区域为纤维含量2，子区域4为纤维含量3；
根据纤维含量，设计每一个子区域的层厚和填充间距，具体方法如下：
其中，Vf为纤维含量，S为连续纤维等效截面积，H为填充间距， L为层厚；
通过设计局部的填充间距和层厚，可以得到预设的子区域纤维含量；
依据层厚和填充间距生成纤维轨迹点，得到打印位置数据，然后利用下式确定每一段纤维轨迹所需的基体材料进给量：
其中，E为基体材料进给量，δ为材料补偿系数，d为当前打印段的距离，S为连续纤维等效截面积，Vf为纤维含量，R为基体材料丝材半径；
通过逐段确定每一段所需的基体材料进给量，生成工艺参数数据；结合位置数据，即可生成与3D打印装备相匹配的数据文件。
5)参照图5，将与3D打印装备相匹配的数据文件导入到3D打印装备，根据步骤4)的打印路径和工艺参数，一体化成形变刚度混杂连续纤维增强复合材料。
以上，对本发明的优选实施例进行了详细说明。本发明的说明用于举例说明，本发明所属技术领域的技术人员应能理解，在不改变本发明的技术思想或必要技术特征的情况下可容易变形为其他具体方式。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 (6)
1.一种基于3D打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料制备方法，其特征在于，根据变刚度混杂连续纤维增强复合材料的应用条件、经济需求和载荷分布，变刚度混杂连续纤维增强复合材料不同部位的连续纤维、基体材料类型能够设计，并且局部连续纤维的方向和含量为非均匀设计，形成变刚度混杂连续纤维增强复合材料；
局部连续纤维含量为非均匀设计，纤维含量与工艺参数有关，方法如下：其中，Vf为纤维含量，S为连续纤维等效截面积，H为填充间距，L为层厚；通过设计局部的填充间距和层厚，能够得到局部非均匀的纤维含量设计；
具体制备方法包括以下步骤：
1)根据变刚度混杂连续纤维增强复合材料的尺寸特征，利用计算机辅助设计软件，建立变刚度混杂连续纤维增强复合材料的三维模型；
2)将变刚度混杂连续纤维增强复合材料的三维模型导入有限元分析软件，对其施加实际工况载荷，获取变刚度混杂连续纤维增强复合材料中的载荷分布数据，根据载荷分布数据，对变刚度混杂连续纤维增强复合材料进行子区域划分处理；
3)根据子区域的载荷分布数据和性能需求，为子区域选择连续纤维和基体材料；
4)根据所选连续纤维和基体材料，设计打印喷头数量及类型；根据步骤2)的载荷分布，设计纤维分布，规划打印路径，计算工艺参数，生成与3D打印装备相匹配的数据文件；具体工艺参数的计算，方法如下：其中，E为基体材料进给量，δ为材料补偿系数，d为当前打印段的距离，S为连续纤维等效截面积，Vf为纤维含量，R为基体材料丝材半径；通过逐段确定每一段所需的基体材料进给量，生成工艺参数数据；结合位置数据，即可生成与3D打印装备相匹配的数据文件；
5)将与3D打印装备相匹配的数据文件导入到3D打印装备，根据步骤4)的打印路径，一体化成形变刚度混杂连续纤维增强复合材料；
所述步骤5)中3D打印装备为3自由度连续纤维增强复合材料3D打印机或多自由度连续纤维增强复合材料3D打印机。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料制备方法，其特征在于：所述的连续纤维为碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玻璃纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维、玄武岩纤维、聚酰亚胺纤维、金属纤维、SiC纤维、石墨纤维、硼纤维、氮化硅纤维、苎麻纤维、黄麻纤维、亚麻纤维或竹纤维。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料制备方法，其特征在于：所述的基体材料为为PLA、PEEK、PI、PEI、ABS、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸树脂、尼龙、酚醛树脂、聚苯乙烯、聚氨酯、聚偏二氟乙烯、丁苯橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、丙烯酸脂体系形状记忆聚合物、硫醇-烯烃体系形状记忆聚合物、环氧树脂体系形状记忆聚合物或低熔点合金。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料制备方法，其特征在于：所述的步骤1)中计算机辅助设计软件为Autodesk Inventor、SolidWorks、CATIA、中望3D、Pro/E、AutoCAD、UG NX、SolidEdge或Onespace。
5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤2)中有限元分析软件为LUSAS、MSC.Nastran、Ansys、Abaqus、LMS-Samtech、Algor、Femap/NX Nastran、Hypermesh、COMSOL Multiphysics或FEPG。
6.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤4)中打印路径规划采用离散思想，将已设计的纤维分布离散成纤维轨迹点，通过有序提取纤维轨迹点，生成3D打印装备可识别和执行的位置数据。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111285710.XA CN114031794B (zh) | 2021-11-05 | 2021-11-05 | 一种基于3d打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111285710.XA CN114031794B (zh) | 2021-11-05 | 2021-11-05 | 一种基于3d打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料及制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114031794A CN114031794A (zh) | 2022-02-11 |
| CN114031794B true CN114031794B (zh) | 2023-09-19 |
Family
ID=80135963
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111285710.XA Active CN114031794B (zh) | 2021-11-05 | 2021-11-05 | 一种基于3d打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114031794B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114413744B (zh) * | 2022-03-07 | 2023-04-07 | 西安交通大学 | 基于拉胀结构的3d打印复合材料柔性应变传感器及其制备方法 |
| CN117400609B (zh) * | 2023-04-13 | 2024-05-03 | 肥城三合工程材料有限公司 | 纤维增强复合材料及其制备方法和应用 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103722842A (zh) * | 2012-10-12 | 2014-04-16 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种变刚度纤维复合材料的制备方法 |
| CN107433713A (zh) * | 2017-09-04 | 2017-12-05 | 西安交通大学 | 一种基于连续纤维复材3d打印的功能调控结构制备方法 |
| CN108908941A (zh) * | 2018-06-27 | 2018-11-30 | 西安交通大学 | 3d打印连续纤维增强复合材料的树脂含量自适应控制方法 |
| WO2020192756A1 (zh) * | 2019-03-27 | 2020-10-01 | 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 |
-
2021
- 2021-11-05 CN CN202111285710.XA patent/CN114031794B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103722842A (zh) * | 2012-10-12 | 2014-04-16 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种变刚度纤维复合材料的制备方法 |
| CN107433713A (zh) * | 2017-09-04 | 2017-12-05 | 西安交通大学 | 一种基于连续纤维复材3d打印的功能调控结构制备方法 |
| CN108908941A (zh) * | 2018-06-27 | 2018-11-30 | 西安交通大学 | 3d打印连续纤维增强复合材料的树脂含量自适应控制方法 |
| WO2020192756A1 (zh) * | 2019-03-27 | 2020-10-01 | 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 |
|---|---|
| CN114031794A (zh) | 2022-02-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114031794B (zh) | 一种基于3d打印的变刚度混杂连续纤维增强复合材料及制备方法 | |
| WO2020192756A1 (zh) | 一种连续纤维增强复合材料3d打印路径规划方法 | |
| Liu | Guidelines for AM part consolidation | |
| Kang et al. | A flow-front refinement technique for the numerical simulation of the resin-transfer molding process | |
| CN112149322B (zh) | 一种复合材料加筋结构固化变形的有限元分析方法 | |
| CN101366031A (zh) | 模拟管件弯曲的方法和设备 | |
| Fok et al. | An ACO-based tool-path optimizer for 3-D printing applications | |
| CN112507587A (zh) | 一种面向压缩稳定性的变刚度复合材料结构优化设计方法 | |
| Kubalak et al. | Deposition path planning for material extrusion using specified orientation fields | |
| Muramatsu et al. | Distributed-parametric optimization approach for free-orientation of laminated shell structures with anisotropic materials | |
| Ovcharenko et al. | Parallel adaptive boundary layer meshing for CFD analysis | |
| CN108908941B (zh) | 3d打印连续纤维增强复合材料的树脂含量自适应控制方法 | |
| Vijayachandran et al. | Minimizing stress concentrations using steered fiberpaths and incorporating realistic manufacturing signatures | |
| WO2015072040A1 (ja) | 樹脂流動挙動の計算方法、及び樹脂流動挙動の計算プログラム | |
| Zhang et al. | A 3D printing tool-path generation strategy based on the partition of principal stress field for fused filament fabrication | |
| CN110610040B (zh) | 一种多相材料梯度点阵结构设计方法 | |
| Fok et al. | A refinement process for nozzle path planning in 3D printing | |
| Zdobytskyi et al. | Use of methods and technologies of additive production for optimization of parameters of designs | |
| Anoop et al. | Microscale representative volume element based numerical analysis on mechanical properties of fused deposition modelling components | |
| O'Dea | Motorcycle swingarm redesigned in carbon composite | |
| Cao et al. | FDM Rapid Prototyping Technology of Complex‐Shaped Mould Based on Big Data Management of Cloud Manufacturing | |
| CN114953428A (zh) | 一种可编程连续纤维复合材料智能结构的4d打印方法 | |
| US20180319085A1 (en) | System and methods for additive manufacturing deposition and routing based on part performance | |
| Yang et al. | 3D printing path planning algorithm for thin walled and complex devices | |
| CN111907054A (zh) | 基于应力方向的连续纤维增强复合材料3d打印凸分解方法 |
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 | ||
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20220425 Address after: 714000 West Chaoyang Street, Weinan High-tech Industrial Development Zone, Shaanxi Province, 70 Applicant after: SHAANXI FEIBO TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO.,LTD. Address before: No. 777, Jialingjiang Road, Qingdao Economic and Technological Development Zone, Shandong Province Applicant before: Qingdao University of Technology Applicant before: SHAANXI FEIBO TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO.,LTD. |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |