CN114407353A - 一种复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料及其制备方法，其步骤为：首先确定所需打印的复合材料基体结构，采用三维建模软件建立复合材料基体模型；然后确定打印的平面纤维层，采用3D打印技术打印所述由平面纤维层堆积而成复合材料骨架，在打印复合材料骨架过程中根据基体模型预留孔道，在打印出的复合材料骨架的孔道里植入纤维束，最后整体加热融化，凝固定型，形成所述复合材料。该方法创新了复合材料成型方法，由传统的“纤维——预制体——复合”的多步法成型路径优化为一步法；该方法为复合材料的快速低成本制备提供技术方案。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种采用3D打印技术制备复合材料的方法。
背景技术
复合材料因可设计强、优异的热力电等性能，已在航空航天、轨道交通、舰船等领域得到快速发展。现有复合材料多采用“纤维——编织——复合”或“纤维缠绕——复合”方式制备，工艺环节多，且涉及多学科、多领域；一定程度上造成了周期长、成本高等问题，且影响了其向机械化、自动化、智能化方向的发展。而3D打印技术，不但解决连续高性能纤维快速制备复杂形状构件的难题，同时可实现复合材料的一步成型，满足诸如锥形、封闭腔体、多型面体、薄壁壳体等构件的快速制备，成为航空航天、舰船、民用领域等未来发展的方向之一，具有很好的发展前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用3D打印技术制备复合材料的方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于3D打印技术制备的复合材料及其方法，包括如下步骤：首先确定所需打印的复合材料基体结构，采用三维建模软件建立复合材料基体模型；然后确定打印的平面纤维层，采用3D打印技术打印所述由平面纤维层堆积而成复合材料骨架，在打印复合材料骨架过程中根据基体模型预留孔道，在打印出的复合材料骨架的孔道里植入纤维束或树脂棒，最后整体加热融化，凝固定型，形成所述复合材料。
较佳的，复合材料基体结构包括正交三向结构、2.5D结构、三维多向结构，或其中任意两种或三种结构的叠加结构。
较佳的，根据所需打印的复合材料基体结构，通过三维建模软件，首先建立基体结构单胞模型，设定单胞尺寸，该单胞为基体结构最小单元内纤维束的排布，设计完单胞后，根据基体结构外形和尺寸，建立整体复合材料基体模型，其中，单胞结构包括正交三向结构、2.5D结构和三维多向结构中的一种或几种结构的组合结构。
具体的，所需打印的复合材料基体结构为正交三向结构，如平面多取向结构，以X、Y、Z三方向纤维束规格、间距等作为建模参数，通过三维建模软件，首先建立基体结构单胞结构模型。
具体的，所需打印的复合材料基体结构为2.5D结构，包括以平纹、斜纹、缎纹为基础的2.5D浅交直连、浅交弯连、深交连等所有具有2.5D结构特征的衍生结构，以经纬密、经纬纱规格、体积含量、结构类别作为建模参数，通过三维建模软件，首先建立基体结构单胞结构模型。
具体的，所需打印的复合材料基体结构为三维多向结构，包括三维四向、三维五向、三维六向等等，以母向花节长度、周向花节长度、厚度方向花节长度等作为建模参数，通过三维建模软件，首先建立基体结构单胞结构模型。
较佳的，确定打印的平面纤维层，采用3D打印技术以纤维束和树脂打印所述由平面纤维层堆积而成复合材料骨架。
较佳的，采用3D打印技术获取由平面纤维层堆积组成的复合材料骨架内的孔道可为直通道、斜直通道、弯曲通道等中任意一种或几种。
较佳的，在复合材料骨架的孔道里植入纤维束的方式包括气流引入法、介质引入法、柔性棒材直接引入法。
较佳的，在引入纤维束时各方向纤维束同步引入或同步植入，分向驻纱，互不影响。
较佳的，加热融化，凝固定型采用热压的方式。其中，固化压力0-2MPa可调控，固化温度0-300℃可调控，固化时间可调控。
较佳的，纤维束包括碳纤维、石英纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维中任意一种或几种，其状态包括湿态或干态；树脂包括环氧树脂、酚醛树脂等；树脂棒是由纤维束与树脂复合而成。
本发明与现有技术相比，其显著优点：1.与传统3D打印技术相比，可实现连续纤维的快速打印；与预制体复合材料制备技术相比，过程简单、易实现；2.不但可打印复杂形状构件，同时可实现连续纤维束的多规律交织；3.周期短、成本低；4.人工参与少，质量一致性高。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本申请的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本申请的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
图1为本发明在复合材料骨架中植入纤维束的方式的示意图，a线引,b针引,c气吸式,d碳棒植入。
图2为实施例1的典型正交三向结构复合材料基体结构的建模过程示意图。
图3为实施例2的典型2.5D浅交弯联结构复合材料基体结构的建模过程示意图。
图4为实施例3的典型三维体芯结构复合材料基体结构的建模过程示意图。
图5为实施例4的典型三维面芯结构复合材料基体结构的建模过程示意图。
图6为实施例5的三维四向结构圆柱形复合材料基体结构的建模过程示意图。
图7为实施例5的三维四向结构圆柱形复合材料基体结构单胞沿经向叠加示意图。
图8为实施例6的两种结构组合复合材料基体结构的建模过程示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图进行说明如下。
在本申请中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本申请的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
不同的复合材料基体结构类型，根据纤维束的空间走向，形成不同的孔道，其方法相同，确定复合材料基体结构，并设计基体结构体积含量、纤维束直径、各方向纤维束比例等，依据此类参数作为建模参数，采用三维建模方法建立基体结构单胞模型，设计完单胞结构后，根据基体结构外形和尺寸，建立整体的基体结构模型。将该基体结构模型植入3D打印软件系统内，同步输入并关联所需打印复合材料基体结构的形状尺寸，该基体结构模型中的孔道根据复合材料基体结构中的纤维束空间走向形成，可为直通道、斜直通道、弯曲通道、非贯穿通道等中任意一种或几种。首先确定打印的平面纤维层，采用3D打印技术制备出由平面纤维层堆积而成复合材料骨架，打印材料为纤维束和树脂按一定比例配制而成，纤维束材质、纤维束和树脂的具体比例根据制备的复合材料所需性能调整，在打印复合材料骨架过程中根据基体模型预留出孔道，在打印出的复合材料骨架的孔道里植入纤维束或树脂棒，驻纱后，为保证复合材料骨架与纤维束（纤维）充分融合，需整体加热融化，凝固定型，形成的复合材料中各方向的纤维束一般采用同一种材质，包括碳纤维、石英纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维中任意一种或几种，其状态包括湿态或干态；树脂包括环氧树脂、酚醛树脂等；树脂棒是由纤维束与树脂复合而成。
复合材料骨架采用纤维束和树脂作为打印材料，热压可使树脂融化，融化后可以填补孔道剩余空隙，使树脂和纤维充分融合一体，加压目的是促进树脂的流动性，加快缝隙的填补，并使树脂基复合材料最终定型。
本发明植入纤维束的方式包括如图1所示的几种方式：
1）线引
在钢针尾部引入纤维束，纤维束形成套环，带动纤维束驻入孔道。
2）针引
直接将纤维束穿过钢针尾部的针孔，钢针穿过孔道直接把纤维束驻入。
3）气吸式
采用真空负压原理，气吸管穿过孔道，从孔道另一端将纤维束吸附住，气吸管拔出孔道，并将纤维束从孔道中拉出，完成驻纱。
4）碳棒植入
单根纤维直接包裹浸润剂，固化后硬度加大，变成纤维棒，通过插入机构，直接加碳棒插入孔道，完成驻纱。
实施例1
如图2所示，本实施例中的复合材料基体结构类型为正交三向结构，首先根据复合材料基体结构的类型，以X、Y、Z三方向纤维束规格（分别为2股198tex碳纤维）、间距（X、Y向间距分别1.0mm，Z向间距为0.7mm）作为建模参数，采用Pro/E等三维建模软件，建立该正交三向结构复合材料基体模型的单胞结构模型。设定单胞结构模型尺寸为1.0mm×1.0mm×0.7mm，该单胞结构为复合材料基体模型内最小单元内纤维束的排布，设计完单胞结构模型后，采用重复叠加的方法，根据复合材料基体结构外形和尺寸，建立整体的复合材料基体模型。
将该复合材料基体模型植入3D打印软件系统内，同步输入并关联所需打印复合材料基体结构的形状尺寸，通过3D打印获得复合材料骨架，具体如下：采用纤维束和树脂为打印材料，以XOY为平面，采用3D打印技术打印由X、Y两个方向纤维层堆积而成复合材料骨架，该复合材料骨架中的孔道根据复合材料基体结构中的纤维束空间走向形成，在打印复合材料骨架过程中，预留孔道。
在打印出的复合材料骨架的孔道里植入纤维束。然后，将打印出的复合材料移入热压罐内，设计固化压力为0.8MPa，固化温度60℃，固化时间3h。
实施例2
如图3所示，本实施例中的复合材料基体结构类型为2.5D浅交弯联结构，首先根据复合材料基体结构的类型，以经纬密（经密8根/cm，纬密2.5根/cm）、经纬纱规格（经向2股198tex碳纤维，纬向4股198tex碳纤维）、体积含量（45%）、作为建模参数，采用ANSYS 软件，建立该2.5D浅交弯联结构复合材料基体模型的单胞结构模型。设定单胞结构模型尺寸为1.25mm×4mm×1.20mm，该单胞结构为复合材料基体模型内最小单元内纤维束的排布，设计完单胞结构模型后，采用重复叠加的方法，根据复合材料基体结构外形和尺寸，建立整体的复合材料基体模型。
将该复合材料基体模型植入3D打印软件系统内，同步输入并关联所需打印复合材料基体结构的形状尺寸，通过3D打印获得复合材料骨架，具体如下：采用纤维束和树脂为打印材料，以X0Y为平面，采用3D打印技术打印由X、Y两个方向纤维层堆积而成复合材料骨架，该复合材料骨架中的孔道根据复合材料基体结构中的纤维束空间走向形成，在打印复合材料骨架过程中，预留孔道。
在打印出的复合材料骨架的孔道里植入纤维束，然后，将打印出的复合材料移入热压罐内，设计固化压力为0.6MPa，固化温度60℃，固化时间4h。
实施例3
如图4所示，本实施例中的复合材料基体结构类型为三维四向结构（三维体芯结构），首先根据复合材料基体结构的类型，以母向花节长度4.3mm、周向花节长度1.46mm、厚度方向花节长度0.67mm（T300-3K碳纤维，3股）作为建模参数，采用ANSYS 软件，建立该三维体芯结构复合材料基体模型的单胞结构模型，设定单胞结构模型尺寸为4.3mm×1.46mm×0.67mm，该单胞结构为复合材料基体模型内最小单元内纤维束的排布，设计完单胞结构模型后，采用重复叠加的方法，根据复合材料基体结构外形和尺寸，建立整体的复合材料基体模型。
将该复合材料基体模型植入3D打印软件系统内，同步输入并关联所需打印复合材料基体结构的形状尺寸，通过3D打印获得复合材料骨架，具体如下：采用纤维束和树脂为打印材料，以单胞模型体对角线构成的平面作为打印基准面，采用3D打印技术打印由该平面内纤维层堆积而成复合材料骨架，该复合材料骨架中的孔道根据复合材料基体结构中的纤维束的空间走向形成，在打印复合材料骨架过程中，预留孔道。
在打印出的复合材料骨架的孔道里植入纤维束，然后，将打印出的复合材料移入热压罐内，设计固化压力为0.6MPa，固化温度60℃，固化时间3h。
实施例4
如图5所示，本实施例中的复合材料基体结构类型为三维五向结构（三维面芯结构），首先根据复合材料基体结构的类型，以母向花节长度5.2mm、周向花节长度1.7mm、厚度方向花节长度1.3mm（T300-3K碳纤维，2股）作为建模参数，采用ANSYS 软件，建立该三维面芯结构复合材料基体模型的单胞结构模型，设定单胞结构模型尺寸为5.2mm×1.7mm×1.3mm，该单胞结构为复合材料基体模型内最小单元内纤维束的排布，设计完单胞结构模型后，采用重复叠加的方法，根据复合材料基体结构外形和尺寸，建立整体的复合材料基体模型。
将该复合材料基体模型植入3D打印软件系统内，同步输入并关联所需打印复合材料基体结构的形状尺寸，通过3D打印获得复合材料骨架，具体如下：采用纤维束和树脂为打印材料，以单胞模型面对角线构成的平面作为打印基准面，采用3D打印技术打印由该平面内纤维层堆积而成复合材料骨架，该复合材料骨架中的孔道根据复合材料基体结构中纤维束的空间走向形成，在打印复合材料骨架过程中，预留孔道。
在打印出的复合材料骨架的孔道里植入纤维束，然后，将打印出的复合材料移入热压罐内，设计固化压力为0.6MPa，固化温度60℃，固化时间3h。
实施例5
如图6所示，本实施例中圆柱形复合材料基体结构类型为三维四向结构，首先根据复合材料基体结构的类型，以母向花节长度6.0mm、周向花节长度2.0mm、厚度方向花节长度1.55mm（T300-3K碳纤维，2股）作为建模参数，采用ANSYS 软件，建立该三维体芯结构复合材料基体模型的单胞结构模型，设定单胞结构模型尺寸为6.0mm×2.0mm×1.55mm，该单胞结构为复合材料基体模型内最小单元内纤维束的排布，设计完单胞结构模型后，采用重复叠加的方法（同一圆周方向单胞尺寸不变，沿经向方向以30°夹角逐层减小，如图7所示），根据复合材料基体结构外形和尺寸，建立整体的复合材料基体模型。
将该复合材料基体模型植入3D打印软件系统内，同步输入并关联所需打印复合材料基体结构的形状尺寸，通过3D打印获得复合材料骨架，具体如下：采用纤维束和树脂为打印材料，以单胞模型面体对角线构成的平面作为打印基准面，采用3D打印技术打印由该平面内纤维层堆积而成复合材料骨架，该复合材料骨架中的孔道根据复合材料基体结构中纤维束的空间走向形成，在打印复合材料骨架过程中，预留孔道。
在打印出的复合材料骨架的孔道里植入纤维束，然后，将打印出的复合材料移入热压罐内，设计固化压力为0.6MPa，固化温度60℃，固化时间3h。
实施例6
如图8所示，本实施例中的复合材料基体结构包括三向和2.5D浅交弯连两种结构，首先根据复合材料基体结构不同区域的结构特点，分别以X、Y、Z三方向纤维束规格（分别为2股198tex碳纤维，）、间距（X向间距为0.6mm、Y向间距为1.25mm，Z向间距为0.7mm）为参数，建立三向单胞模型，然后以经纬密（经密8根/cm，纬密2.5根/cm）、经纬纱规格（经向2股198tex碳纤维，纬向4股198tex碳纤维）、体积含量（45%）为参数建立2.5D结构模型。其中，三向结构处单胞模型尺寸为1.25mm×1.25mm×0.7mm，2.5D结构处单胞模型尺寸为1.25mm×4mm×1.20mm；两种结构模型以X向纤维束相连接，确保了复合材料基体结构不同结构处的完整性。各处采用同步叠加的方法，根据不同结构处的外形和尺寸，建立整体的复合材料基体模型。
将该复合材料基体模型植入3D打印软件系统内，同步输入并关联所需打印复合材料基体结构的形状尺寸，通过3D打印获得复合材料骨架，具体如下：采用纤维束和树脂为打印材料，以X0Y为平面，采用3D打印技术打印由X、Y两个方向纤维层堆积而成复合材料骨架，该复合材料骨架中的孔道根据复合材料基体结构中纤维束的空间走向形成，在打印复合材料骨架过程中，预留孔道。
在打印出的复合材料骨架的孔道里植入纤维束，然后，将打印出的复合材料移入热压罐内，设计固化压力为0.6MPa，固化温度60℃，固化时间4h。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (13)
1.一种基于3D打印技术制备复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
首先确定所需打印的复合材料基体结构，采用三维建模软件建立复合材料基体模型；然后确定打印的平面纤维层，采用3D打印技术打印所述由平面纤维层堆积而成复合材料骨架，在打印复合材料骨架过程中根据基体模型预留孔道，在打印出的复合材料骨架的孔道里植入纤维束或树脂棒，最后整体加热融化，凝固定型，形成所述复合材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所需打印的复合材料基体结构，通过三维建模软件，首先建立基体结构单胞模型，设定单胞尺寸，该单胞为基体结构最小单元内纤维束的排布，设计完单胞后，根据基体结构外形和尺寸，建立整体复合材料基体模型。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，复合材料基体结构包括正交三向结构、2.5D结构、三维多向结构，或其中任意两种或三种结构的叠加结构。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所需打印的复合材料基体结构为正交三向结构，以X、Y、Z三方向纤维束规格、间距作为建模参数，通过三维建模软件，首先建立基体结构单胞模型。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所需打印的复合材料基体结构为2.5D结构，以经纬密、经纬纱规格、体积含量、结构类别作为建模参数，通过三维建模软件，首先建立基体结构单胞模型。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所需打印的复合材料基体结构为三维多向结构，以母向花节长度、周向花节长度、厚度方向花节长度作为建模参数，通过三维建模软件，首先建立基体结构单胞模型。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定需要打印的平面纤维层，并采用3D打印获取由平面纤维层组成的复合材料骨架，其中，骨架内的孔道包括直通道、斜直通道、弯曲通道中任意一种或几种。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定打印的平面纤维层，采用3D打印技术以纤维束和树脂打印所述由平面纤维层堆积而成复合材料骨架。
9.如权利要求1或8所述的方法，其特征在于，纤维束材质包括碳纤维、石英纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维中任意一种或几种，其状态包括湿态或干态。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，树脂包括环氧树脂、酚醛树脂。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在预制体骨架孔道里植入纤维束或树脂棒的方式包括气流引入法、介质引入法、柔性棒材直接引入法中任意一种或几种。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在引入纤维束或树脂棒时各方向纤维束或树脂棒同步引入或同步植入，分向驻纱，互不影响。
13.根据如权利要求1-12任一所述的方法制备的复合材料。
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