CN114274504B

CN114274504B - 一种连续纤维预制体铺膜打印成形方法

Info

Publication number: CN114274504B
Application number: CN202111613461.2A
Authority: CN
Inventors: 单忠德; 于肖; 宋文哲; 范聪泽
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2041-12-27
Also published as: CN114274504A

Abstract

本发明涉及连续纤维复合材料3D打印领域，提出了一种连续纤维预制体铺膜打印成形方法。本发明采用双喷头模式打印，其中一个喷头用于干纤维的铺放，另一个喷头用于喷涂层间粘结剂，通过干纤维的层层堆积形成纤维预制体。本发明提出的连续纤维预制体铺膜打印成形方法实现了纤维预制体的打印成形，成形的预制体可根据需求自由选择固化工艺，突破传统3D打印原位固化的工艺限制，大大提升制件力学性能，促进高性能连续纤维复合材料3D打印制件在航空航天领域的应用。

Description

一种连续纤维预制体铺膜打印成形方法

技术领域

本发明涉及连续纤维复合材料3D打印领域，具体涉及一种连续纤维预制体铺膜打印成形方法。

背景技术

3D打印技术集成了机械、材料、集成电路、数控和计算机等先进技术，旨在实现三维零件的快速制造成型，缩短零件的开发制造周期。3D打印技术通过对三维模型进行切片处理，得到三维数字模型的二维截面节点信息，以节点作为基本单元插补计算获得打印控制指令，由控制系统识别指令信息，指导打印装置在二维平面上的打印成型，最终以逐层沉积的方式制造三维实体零件。目前，3D打印耗材主要分成陶瓷、金属、复合材料、聚合物四种。

传统连续纤维3D打印工艺成型过程简单，材料利用率高，且不依赖于模具制造成型，可以降低复合材料构件的制造成本；同时，3D打印可以实现传统制造方法难以成型的复杂结构零件的打印成型，使得采用拓扑优化等设计方法增强部件性能成为可能，有利于实现复合材料复杂结构的快速成型制造。尽管连续纤维复合材料3D打印解决了传统复合材料制造工艺的成本高、工艺复杂等问题，但是连续纤维复合材料3D打印工艺仍然存在几个问题。首先是制件的纤维含量低。目前，3D打印成型的连续纤维复合材料纤维含量最高达到40%~50%，相比于航空航天材料要求的67%的纤维含量仍有需要进一步提升的空间。其次就是连续纤维复合材料3D打印成型件的层间剪切强度较差。纤维和树脂经过喷嘴加热后挤出，在平台上堆积成形，在这个成形过程中，纤维丝束仅仅收到喷嘴对它的微小的压力，导致连续纤维复合材料3D打印制件层间粘合较差。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了为了克服上述现有技术的确定，本发明的目的在于提供一种连续纤维预制体铺膜打印成形方法，实现高纤维体积分数的高性能连续纤维复合材料构件的3D打印快速成形。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

步骤一，选取常温下带有粘性的层间粘结剂与连续干纤维丝作为连续纤维3D打印的原料；

步骤二，打印第一层前通过粘结剂打印头的运动，粘结剂打印喷嘴挤出步骤准备的层间粘结剂，在3D打印机的基板上铺覆层间粘结剂，将步骤一中准备的干纤维丝材放置于放料轴上，纤维经过传动机构输送到纤维打印头中，并调节连续纤维打印喷嘴与基板的间距，准备开始进行纤维打印；

步骤三，在每一层的打印过程中，干纤维丝材穿过打印头与喷嘴并附着于层间粘结剂上，单层打印完成后，通过运动结构的运动使压辊在纤维铺层表面进行一个压实，随后通过粘结剂打印头的运动与粘结剂打印喷嘴挤出粘结剂在打印试件最上层干纤维表面铺覆层间粘结剂；

步骤四，在最上层纤维铺层上重复步骤三逐层打印，从而得到干纤维预制体；

步骤五，将步骤四所得的干纤维预制体置于烘箱加热，使层间起粘合作用的树脂热解，层间粘结剂热解完毕后将预制体取出；

步骤六，根据所选用的固化工艺对步骤五所得的纤维预制体进行固化得到最终高性能连续纤维复合材料制件；固化工艺可以根据需求任意选择，如RTM、渗碳等。

所述的纤维打印头与纤维打印喷嘴间存在送丝机构、止丝机构与剪断机构，可以根据实际需求实现丝材的实时送丝、止丝与断丝。

所述的运动结构与压辊之间存在压力传感器与压力气缸，可以根据需求实时调节压实力的大小。运动结构由电机带动双齿轮有序转动带动丝材前进。

所述的粘结剂打印头与粘结剂打印喷嘴间存在加热单元15，可以加热层间粘结剂，起到辅助粘结剂均匀打印的作用。

所述的纤维打印头与放料轴之间存在张力控制装置，可以实时调控纤维张力。

所述的步骤一中选取的层间粘结剂是能起到层间定型粘结作用且容易在打印完成后去除的物质；如聚醚型聚氨酯、环氧树脂、双马来酰亚胺等。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

（1）本发明可同时满足多种多根干纤维丝束，适用于多种高性能树脂及其混合物，并通过最终选择的固化方式处理，可以做到最终制件的树脂含量、树脂分布均可控制。

（2）本发明原料直接采用连续干纤维丝束，弥补了短切纤维的不足，大幅提升成形构件的各项性能，同时由于干纤维直接打印的特征，有别于传统连续纤维复合材料3D打印成形方式，通过该技术的广泛应用，可以极大的普及和拓展连续纤维复合材料3D打印构件的应用领域。

（3）本发明原料直接采用连续干纤维丝，避免了传统连续纤维3D打印时，树脂堵塞喷嘴的问题，大大减少了操作人员的工作负担。同时可以通过控制干纤维丝束上的张力来保证最终预制体中纤维方向排布的准确性，提高制件的实际力学性能。

（4）本发明对于连续干纤维的打印过程，可以对干纤维丝束施加一定的张力，从而避免预制体中纤维排布方向偏离设计方向所引起的工艺与设计不符的现象，大大提升连续纤维复合材料3D打印过程的精确性。

（5）本发明对传统连续纤维复合材料3D打印工艺作出了极大的改进，突破了传统连续纤维复合材料3D打印制件纤维含量低、层间性能差的问题，利用本工艺的特点，可以实现高纤维体积分数、高层间结合质量的连续纤维复合材料构件的制备，使其能够满足航空航天等高端制造领域的需求，具有极大的经济价值和发展潜力。

附图说明

图1、为纤维预制体铺膜打印成形的实施方式示意图

图中：1粘结剂喷嘴，2粘结剂打印头，3压辊，4运动结构，5连续纤维打印头，6连续纤维打印喷嘴，7.最上层纤维铺层，8基板，9放料轴，10张力控制，11送丝机构，12止丝机构，13剪断机构，14压力气缸，15加热单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

参见图1，本实施例提供的纤维预制体铺膜打印成形方法，为充分发挥3D打印优势，可以通过三维建模建立具有复杂结构的复合材料三维模型，充分利用3D打印设计的自由性，实现传统制造工艺难以成形构件的精确制造。

根据对复合材料构件服役情况的评估，设计纤维路径以满足构件的性能需求，充分发挥连续纤维增强复合材料的可设计性，为实现构件的轻量化，可以在纤维路径规划时采用拓扑优化的设计方法，进一步降低构件相对密度。

步骤1：选取常温下带有粘性的层间粘结剂与连续干纤维丝作为连续纤维3D打印的原料；

步骤2：打印第一层前通过粘结剂打印头2的运动，粘结剂打印喷嘴1挤出步骤1准备的层间粘结剂，在3D打印机的基板8上铺覆层间粘结剂，将步骤一中准备的干纤维丝材放置于放料轴9上，纤维经过传动机构输送到纤维打印头5中，并调节纤维打印喷嘴6与基板8的间距，准备开始进行纤维打印；

步骤3：在每一层的打印过程中，干纤维丝材穿过打印头5与喷嘴6并附着于层间粘结剂上，单层打印完成后，通过运动结构4的运动使压辊3在纤维铺层表面进行一个压实，随后通过粘结剂打印头2的运动与粘结剂打印喷嘴1挤出粘结剂在打印试件最上层干纤维表面铺覆层间粘结剂；

步骤4：在最上层纤维铺层7上重复步骤三逐层打印，从而得到干纤维预制体；

步骤5：将步骤四所得的干纤维预制体置于烘箱加热，使层间起粘合作用的树脂热解，层间粘结剂热解完毕后将预制体取出；

根据所选用的固化工艺对步骤五所得的纤维预制体进行固化得到最终高性能连续纤维复合材料制件。

连续纤维复合材料构件固化后，采取后处理工艺进一步提升构件表面精度与尺寸精度以保证装配的顺利进行，同时恰当的后处理工艺有利于提升连续纤维复合材料构件的各项性能以满足工程应用上的需求。

本实施例提供纤维预制体铺膜打印成形的实施方式示意图，可以看到粘性树脂薄膜可以在预制体的成形过程中粘结基板与干纤维丝材以及粘结打印过程中的上下层干纤维丝材，起到预制体的“定型”作用，在预制体完全成形后，采取可行性措施除去预制体层间的粘结剂，将预制体固化成所需的连续纤维增强复合材料构件；实时送丝、止丝与断丝。

所述的纤维打印头5与连续纤维打印喷嘴6间存在送丝机构、止丝机构与剪断机构，可以根据实际需求实现丝材的实时送丝、止丝与断丝；所述的运动结构4与压辊3之间存在压力气缸14，可以根据需求实时调节压实力的大小。

所述的粘结剂打印头2与粘结剂打印喷嘴1间存在加热单元15，可以加热层间粘结剂，起到辅助粘结剂均匀打印的作用。

所述的纤维打印头5与放料轴9之间存在张力控制装置10，可以实时调控纤维张力；所述的步骤一中选取的层间粘结剂是能起到层间定型粘结作用且容易在打印完成后去除的物质。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims

1.一种连续纤维预制体铺膜打印成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤二，打印第一层前通过粘结剂打印头（2）的运动，粘结剂打印喷嘴（1）挤出步骤一准备的层间粘结剂，在3D打印机的基板（8）上铺覆层间粘结剂，将步骤一中准备的干纤维丝材放置于放料轴（9）上，纤维经过传动机构输送到纤维打印头（5）中，并调节连续纤维打印喷嘴（6）与基板（8）的间距，准备开始进行纤维打印；

步骤三，在每一层的打印过程中，干纤维丝材穿过纤维打印头（5）与喷嘴（6）并附着于层间粘结剂上，单层打印完成后，通过运动结构（4）的运动使压辊（3）在纤维铺层表面进行一个压实，随后通过粘结剂打印头（2）的运动与粘结剂打印喷嘴（1）挤出粘结剂在打印试件最上层干纤维表面铺覆层间粘结剂；

步骤四，在最上层纤维铺层（7）上重复步骤三逐层打印，从而得到干纤维预制体；

步骤六，根据所选用的固化工艺对步骤五所得的纤维预制体进行固化得到最终高性能连续纤维复合材料制件。

2.根据权利要求1所述的一种连续纤维预制体铺膜打印成形方法，其特征在于：所述的纤维打印头（5）与连续纤维打印喷嘴（6）间设有送丝机构（11）、止丝机构（12）与剪断机构（13），可以根据实际需求实现丝材的实时送丝、止丝与断丝。

3.根据权利要求1所述的一种连续纤维预制体铺膜打印成形方法，其特征在于：所述的运动结构（4）与压辊（3）之间设有压力传感器与压力气缸（14），可以根据需求实时调节压实力的大小。

4.根据权利要求1所述的一种连续纤维预制体铺膜打印成形方法，其特征在于：所述的粘结剂打印头（2）与粘结剂打印喷嘴（1）间设有加热单元（15），可以加热层间粘结剂，起到辅助粘结剂均匀打印的作用。

5.根据权利要求1所述的一种连续纤维预制体铺膜打印成形方法，其特征在于：所述的纤维打印头（5）与放料轴（9）之间设有张力控制装置（10），可以实时调控纤维张力。

6.根据权利要求1所述的一种连续纤维预制体铺膜打印成形方法，其特征在于：所述的步骤一中选取的层间粘结剂是能起到层间定型粘结作用且容易在打印完成后去除的物质。