CN114103154B - 一种3d打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构的制造方法，该方法为：利用连续纤维3D打印技术，制备与薄壁结构形状匹配的连续纤维复合材料格栅，将连续纤维复合材料格栅与热塑薄壁结构感应焊接，得到3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构。本发明利用高频交变电场下纤维复合材料格栅的自发热原理，实现指定位置热塑性材料的局部二次熔融，从而在增强格栅与薄壁结构间形成良好界面结合。与现有技术相比，本发明方法制造效率高，成本低，获得的结构具有轻质、高强、高刚和性能可设计性强等特点。

Description

一种3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构的制造方法
技术领域
本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构的制造方法。
背景技术
在航天器结构中，以民机为例，从机头、机身等不同部段都大量使用金属、非金属薄壁结构，其涵盖功能件、次承力结构。减重是飞行器设计制造的长期主题，为了实现这一目标，可采用密度更低的非金属材料如热塑性塑料代替传统金属材料，但也带来了零件局部刚度降低、成型尺寸稳定性等问题。虽然通过加强筋设计可以有效缓解上述问题，但是加强筋结构引起的加工制造工艺复杂、制件良品率降低和结构空间尺寸增大的问题也不容忽略。
碳纤维增强复合材料由于其轻质、高强及抗疲劳等特点，已作为新一代结构材料被大量应用在生物医疗、航空航天等领域。3D打印(增材制造)，作为一种革新的复合材料制造成型工艺，实现了复合材料低成本的快速智能制造。
复合材料格栅是经过增强纤维束交错编织的轻质高强、多功能结构，具有截面惯性矩大，抗弯、抗屈曲性能良好。传统复合材料网格制备多采用人工或自动化设备在模具中进行铺放，经过树脂浸渍后加热加压固化而成，存在制造成本高、周期长和性能可设计性差等问题。增材制造技术应用于复合材料格栅的制备，可消除对模具的依赖，并实现格栅力学性能的灵活设计和结构的快速制造。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有轻质、高强、高刚和性能设计性强的3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构的制造方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构的制造方法，该方法为：利用连续纤维3D打印技术，制备与薄壁结构形状匹配的连续纤维复合材料格栅，将连续纤维复合材料格栅与热塑薄壁结构感应焊接，得到3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构。
利用高频交变电场下纤维复合材料格栅的自发热原理，实现指定位置热塑性材料的局部二次熔融，从而在增强格栅与薄壁结构间形成良好界面结合，该结构具有制造效率高、成本低、轻质、高强、高刚和性能可设计性强等特点。
进一步地，所述的热塑薄壁结构，按照零件或结构的外形尺寸要求，通过注塑、模压或者3D打印工艺制备得到。
进一步地，所述的连续纤维复合材料格栅的制造方法包括以下步骤：
(1)将薄壁结构三维模型展平成二维平面模型，根据结构的力学性能设计要求，对二维平面模型进行格栅形状设计，再按照格栅填充形状生成格栅填充路径；
(2)采用连续纤维3D打印或自动铺放工艺，按照上述格栅填充路径，得到连续纤维复合材料格栅。
进一步地，所述的格栅单胞形状为闭环形状，具体包括圆形、椭圆形、三角形、四边形或者六边形中的一种或多种，且单胞尺寸不小于2mm×2mm，也不大于50mm×50mm。
进一步地，每个格栅单层厚度为0.15-0.5mm。具有一定的柔度。可与复杂3D薄壁壳表面紧密贴合，并通过叠加贴合N层复合材料格栅以实现结构所需的强度和刚度。
进一步地，所述的基体材料包括热塑性塑料，具体包括PP、PE、PLA、ABS、PC或尼龙，与热塑薄壁结构相同；所述的增强体材料包括碳纤维或到导电纤维，比如金属纤维。
进一步地，所述的碳纤维由1k-48k的碳纤维丝束构成，所述金属纤维直径不大于1mm。
进一步地，感应焊接的具体步骤包括：
St.1将连续纤维复合材料格栅贴合在热塑薄壁结构上，并置于真空袋中，抽真空，使格栅与薄壁结构紧密贴合，调整格栅位置使其与薄壁结构形状重合一致；
St.2将感应线圈连接高频感应交流电流，置于真空带外并与薄壁结构保持一定距离，进行感应加热，期间移动线圈位置直至整个连续纤维复合材料格栅完成二次熔融，实现格栅与薄壁结构的完全复合，得到3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构。
进一步地，所述的高频交变电流频率为10-1500kHz，功率为1-35kw。
进一步地，所述的感应线圈直径为格栅单胞尺寸的2-10倍。
与现有技术相比，本发明为了满足航空航天、轨道交通领域中非主承力薄壁结构的增刚、减重需求，尤其是复杂三维薄壁结构，巧妙利用碳纤维格栅在高频交变电场下自发热机理，将3D打印连续纤维复合材料格栅与热塑薄壁结构感应焊接复合，实现了连续碳纤维在复杂三维结构上铺放、增强。该结构具有轻质、高强、高刚和性能可设计性强等优势，该工艺方法制造效率高，全程可无需模具，成本低廉。
附图说明
图1为实施例中制备过程结构示意图；
图2为实施例中制备流程框图；
图3为实施例中制备流程示意图；
图4为实施例中热塑薄壁结构示意图；
图5为实施例中复合材料格栅示意图；
图6为实施例中3D打印连续纤维复合材料格栅增强薄壁结构示意图；
图7为实施例2中复合材料格栅实物图；
图8为实施例2中3D打印连续纤维复合材料格栅增强薄壁结构第一实物图；
图9为实施例2中3D打印连续纤维复合材料格栅增强薄壁结构第二实物图；
图10为实施例1-3结构弯曲试验载荷-位移图；
图11为实施例1-3结构对PLA弯曲刚度的增强效果图；
图中标号所示：1-热塑薄壁结构，2-连续纤维复合材料格栅，3-真空袋，4-感应线圈，5-高频交变电流发生器，6-真空系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构的制造方法，如图1-3，该方法为：制备形状匹配的连续纤维复合材料格栅和热塑薄壁结构，将连续纤维复合材料格栅与热塑薄壁结构感应焊接，得到3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构，其中，感应焊接的具体步骤包括：
St.1将连续纤维复合材料格栅贴合在热塑薄壁结构上，并置于真空袋中，真空带材料为PTFE、PI等耐高温塑料膜材料，并抽真空，使格栅与薄壁结构紧密贴合，调整格栅位置使其与薄壁结构形状重合一致；
如图4，热塑薄壁结构按照零件或结构的外形尺寸要求，通过注塑、模压或者3D打印工艺制备得到。如图2，连续纤维复合材料格栅的制造方法包括以下步骤：
(1)将薄壁结构三维模型展平成二维平面模型，根据结构的力学性能设计要求，对二维平面模型进行格栅形状设计，再按照格栅填充形状生成格栅填充路径；格栅单胞形状为闭环形状，具体包括圆形、椭圆形、三角形、四边形或者六边形中的一种或多种，且单胞尺寸不小于2mm×2mm，也不大于50mm×50mm。每个格栅单层厚度为0.15-0.5mm，具有一定的柔度，可与复杂3D薄壁壳表面紧密贴合，并通过叠加贴合N层复合材料格栅以实现结构所需的强度和刚度。
(2)采用连续纤维3D打印或自动铺放工艺，按照上述格栅填充路径，制备得到连续纤维增强热塑性复合材料格栅，如图5。基体材料为热塑性塑料，具体包括PP、PE、PLA、ABS、PC或尼龙，与热塑薄壁结构材质相同；所述的增强体材料包括碳纤维或金属纤维。碳纤维由1k-48k的碳纤维丝束构成，所述金属纤维直径不大于1mm。
St.2将感应线圈连接高频感应交流电流，置于真空带外并与薄壁结构保持一定距离，进行感应加热，期间移动线圈位置直至整个连续纤维复合材料格栅完成二次熔融，实现格栅与薄壁结构的完全复合，得到3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构，如图6。高频交变电流频率为10-1500kHz，功率为1-35kw。感应线圈直径为格栅单胞尺寸的2-10倍。
实施例1
本实施例中，格栅单胞形状为四方形网格，且单胞尺寸为5mm×5mm。每个格栅单层厚度为0.25mm，层数N为1。基体材料为PLA，增强体材料为碳纤维。
高频交变电流频率为800kHz，功率为3kw。感应线圈直径为格栅单胞尺寸的10mm。
实施例2
与实施例1的不同之处在于，层数N为2。
实施例3
与实施例1的不同之处在于，层数N为3。
实施例4
本实施例中，格栅单胞形状为四方形网格，且单胞尺寸为6mm×6mm。每个格栅单层厚度为0.3mm，层数N为3。基体材料为ABS，增强体材料为碳纤维。
高频交变电流频率为850kHz，功率为5kw。感应线圈直径为格栅单胞尺寸的14mm。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构的制造方法，其特征在于，该方法为：制备形状匹配的连续纤维复合材料格栅和热塑薄壁结构，将N层连续纤维复合材料格栅与热塑薄壁结构感应焊接，得到3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构；
所述的连续纤维复合材料格栅的制造方法包括以下步骤：
（1）将复杂3D薄壁结构三维模型展平成二维平面模型，对二维平面模型进行格栅形状设计，再按照格栅填充形状生成格栅填充路径；
（2）采用连续纤维3D打印或自动铺放工艺，按照上述格栅填充路径，得到连续纤维复合材料格栅；所述连续纤维复合材料格栅的单胞形状为闭环形状，具体包括圆形、椭圆形、三角形、四边形或者六边形中的一种或多种，且单胞尺寸不小于2 mm×2 mm，也不大于50 mm×50 mm；每个连续纤维复合材料格栅的单层厚度为0.15-0.5 mm。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构的制造方法，其特征在于，所述的热塑薄壁结构通过注塑、模压或者3D打印工艺制备得到。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构的制造方法，其特征在于，连续纤维复合材料格栅中的基体材料为热塑性塑料，具体包括PP、PE、PLA、ABS、PC或尼龙，与热塑薄壁结构材质相同；连续纤维复合材料格栅中的增强体材料包括碳纤维或导电纤维。
4.根据权利要求3所述的一种3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构的制造方法，其特征在于，所述的碳纤维由1 k-48 k的碳纤维丝束构成，所述导电纤维直径不大于1mm。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构的制造方法，其特征在于，感应焊接的具体步骤包括：
St.1 将N层连续纤维复合材料格栅贴合在热塑薄壁结构上，并置于真空袋中，抽真空；
St.2 将感应线圈连接高频感应交流电流，置于真空带外，进行感应加热，期间移动线圈位置直至整个连续纤维复合材料格栅完成二次熔融，实现格栅与薄壁结构的完全复合，得到3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构。
6.根据权利要求5所述的一种3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构的制造方法，其特征在于，所述高频感应交流电流的频率为10-1500 kHz，功率为1-35 kw。
7.根据权利要求5所述的一种3D打印纤维复合材料格栅增强热塑薄壁结构的制造方法，其特征在于，所述的感应线圈直径为格栅单胞尺寸的2-10倍。
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