CN115090831A - 一种基于3d打印轻量化砂模的复合材料异形回转体成型方法 - Google Patents

一种基于3d打印轻量化砂模的复合材料异形回转体成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印轻量化砂模的复合材料异形回转体成型方法，该方法包括如下步骤：基于3DP打印原理，将成型模具的数字模型分层切片后导入打印系统，经过层层铺砂、选择性喷射粘结剂，打印出所需砂模；在砂模表面刷涂树脂，置于高温试验箱内加热固化至砂模的表面硬度和强度达到铺放要求，冷却后在其表面铺贴脱模布；采用复合材料自动铺放技术，经铺放机的推送、裁剪及辊压，将预浸料按照既定轨迹铺贴于砂模表面；实现砂模表面预浸料的固化；粉碎砂模，清理残余砂粒，得到复合材料的异形回转体。本发明采用3D打印技术与砂型制造技术结合，在工艺上实现了自动化生产，大幅缩短了异形回转体生产周期和提高了生产效率。

Description

一种基于3D打印轻量化砂模的复合材料异形回转体成型方法
技术领域
本发明涉及异形回转体增材制造领域，具体涉及一种基于3D打印轻量化砂模的复合材料异形回转体成型方法。
背景技术
3DP技术的出现实现了从计算机辅助设计(CAD)设计到砂型的直接3D打印，通过喷头喷出粘结剂将粉末材料层层粘结在一起形成成品，可自由实现产品的拓扑结构设计，大幅度减少砂型重量、减小型砂用量、缩短打印时间，并显著降低打印成本，生产效率显著提升。
国外在复合材料大型结构件产品广泛应用了自动化成型技术，复合材料自动铺放是利用铺放机器采用计算机自动控制技术取代手工铺叠，在制造大型、薄壁、低曲率的复合材料结构如大型机翼壁板、尾翼壁板、机身侧壁版和主起舱门等时优势极为突出。但是面对具有复杂曲面的异形回转体如S形进气道、蛇形进气道等，固化时模具与零件的热膨胀系数差异过大诱导零件内部热应力并产生变形。对于上述提到的复杂异形回转体零件，仅设置拔模角难以满足脱模要求，工程中常对S形进气道这类零件的模具事先分型，脱模时分块拆分得到分段零件最后组合成整体S形进气道。显然，经过传统脱模方法处理的异形回转体无法保证零件的整体性能，在分段处的结合强度较差，二次组装缝合也会对异形回转体的形状精度产生影响。对于模具而言，模具的分型进一步削弱了模具的刚强度，为满足刚度、强度的需求，需要进一步增大模具尺寸，造成模具质量增加。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于3D打印轻量化砂模的复合材料异形回转体成型方法，可以有效克服现有复合材料的异形回转体自动铺放所存在的缺陷。所采用的3D打印砂模经过预加热后，热膨胀系数较低，其上零件经过真空袋-热压罐固化后，产生的残留应力低，变形小；突破传统模具分段制造方法，对于复杂形状的复合材料异形回转体，实现了整体成型，提高其结构强度。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于3D打印轻量化砂模的复合材料异形回转体成型方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：基于3DP打印原理，将成型模具的数字模型分层切片后导入打印系统，经过层层铺砂、选择性喷射粘结剂，最终打印出所需砂模；
步骤2：在所得的砂模表面刷涂树脂，置于高温试验箱内加热固化至砂模的表面硬度和强度达到铺放要求，冷却后在其表面铺贴脱模布；
步骤3：采用复合材料自动铺放技术，经铺放机的推送、裁剪及辊压，将预浸料按照既定轨迹铺贴于砂模表面；
步骤4：利用真空袋和热压罐方式，实现砂模表面预浸料的固化；
步骤5：粉碎砂模，清理残余砂粒，得到复合材料的异形回转体。
作为本方案的进一步地设计，所述步骤1中，打印砂模由内部的镂空结构和外部的砂壳组成；内部的镂空结构通过桁架拓扑优化确，外壁的砂壳的厚度根据镂空算法随所述异形回转体壁厚变化而变化，制得的砂模抗压强度不低于5MPa。
作为本方案的进一步地设计，所述砂模采用耐火骨料，选用100/200目的棕刚玉、陶粒砂、锆英砂等中的一种，提高砂模的耐火度；
作为本方案的进一步地设计，所述步骤2中，采用3D打印用呋喃树脂，在树脂加热固化的过程中增强砂模的表面硬度和刚度，使固化后的砂模原始硬度值不低于90。
作为本方案的进一步地设计，所述步骤2中，加热固化的温度为150℃，固化时间1h。
作为本方案的进一步地设计，所述步骤2中，铺贴的脱模布为ToolTec带胶脱模布或斜纹尼龙脱模布。
作为本方案的进一步地设计，所述步骤4中，固化温度为140～180℃，固化时间为3～5h，固化压力为0.8～1MPa。
作为本方案的进一步地设计，所述砂模为一次性模具，在脱模阶段通过破坏模具的方式，实现快速脱模。
作为本方案的进一步地设计，所述步骤5中，粉碎时，从砂模端面开始向内剪断组成砂模镂空结构的桁架组织，失去桁架支撑所述镂空砂模自然解体，清空残留砂屑即得到所需复合材料的异形回转体。
本发明具有以下有益效果：
1)3D打印技术与砂型制造技术结合，通过增材制造制得异形回转体砂模，在工艺上实现了自动化生产，大幅缩短了异形回转体生产周期和提高了生产效率。
2)模具的原材料为工业用型砂，原材料易获取，价格低廉；制得的一次性模具成本低，适合批量生产。
3)相比于其他一次性模具的材料如石膏、木质或玻纤增强富树脂基复合材料等，所述砂模基于3DP原理打印成型，表面精度高，复杂程度高，耐温能力强，适合高性能复合材料零件制造。
4)砂模经过预加热定型，在后续真空袋-热压罐固化中，热膨胀较低，降低零件残余应力减少固化变形；所述砂模材料为型砂，相对传统金属模重量更低，采用镂空结构进一步降低模具重量，实现轻量化生产。
5)突破复杂异形回转体如蛇形进气道传统的分段制造工艺，零件在砂模上整体成型后，直接破坏模具实现快速脱模，提高零件的结构强度与形状精度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的工艺流程图；
图2为复杂异形回转体中的典型零件蛇形进气道砂模；
图3为异形回转体内部桁架拓扑结构图；
图中：a为轮毂型镂空；图b为十字型镂空。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例的基于3D打印轻量化砂模的复合材料异形回转体成型方法，具体包括以下步骤：
步骤1：基于3DP打印原理，将成型模具的数字模型分层切片后导入打印系统，经过层层铺砂、选择性喷射粘结剂，最终打印出所需砂模；具体地，
首先，选用200目的锆英砂作为耐火骨料，锆英砂具有较高的耐热性，提高砂模的耐火度；根据具体异形回转体零件设计砂模，砂模在复合材料自动铺放时充当芯模的作用，在本实施例中，预制得蛇形进气道如图2所示，因此预先将其三维模型进行桁架镂空，具体镂空方式如图3所示，在本实施例中由于蛇形进气道具有环形复杂曲面，因此选用轮毂型镂空方式，所述镂空砂模的砂壳厚度，根据镂空算法随所述异形回转体壁厚变化而变化；
其次，基于3DP打印原理，将镂空模具的数字模型分层切片后导入打印系统，经过层层铺砂、选择性喷射粘结剂最终打印出所需砂模；砂模的砂壳厚度与镂空结构共同保证砂模抗压强度不低于5MPa。
步骤2：在打印出的镂空砂模表面刷涂上一层呋喃树脂，置于高温试验箱内，在树脂加热固化的过程中增强砂模的表面硬度和刚度，至砂模的表面硬度和强度达到铺放要求，冷却后在其表面铺贴脱模布，所述加热固化温度150℃，固化时间1h，使固化后的砂模原始硬度值不低于90；待砂模冷却后在其表面铺贴ToolTec带胶脱模布，由于砂模由细小的型砂颗粒粘结而成，如果复合材料预浸料直接铺放在砂模表面上，由于铺放的压实力和后续工艺的高温加热，蛇形进气道的内腔表面可能粘上砂模的砂粒，铺贴脱模布可有效防止粘砂同时得到光滑的内腔表面。
步骤3：采用复合材料自动铺放技术，经铺放机的推送、裁剪及辊压，将预浸料按照既定轨迹铺贴于砂模表面；在本实施例中，蛇形进气道砂模如图2所示在竖直方向由下至上打印而成，在自动铺放时砂模依然竖直放置，铺放头围绕砂模，按照计算运动轨迹将复合材料预浸料铺放在砂模上。
步骤4：利用真空袋和热压罐方式对砂模上的预浸料进行固化；所述固化温度为140～180℃，固化时间为3～5h，固化压力为0.8～1MPa。
步骤5：粉碎砂模，清理残余砂粒，得到所述异形回转体；所述砂模为一次性模具，在脱模阶段通过破坏模具的方式，实现快速脱模；粉碎时，从砂模端面开始向内剪断组成砂模镂空结构的桁架组织，失去桁架支撑所述镂空砂模自然解体，清空残留砂屑即得到所需复合材料异形回转体。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于3D打印轻量化砂模的复合材料异形回转体成型方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤1：基于3DP打印原理，将成型模具的数字模型分层切片后导入打印系统，经过层层铺砂、选择性喷射粘结剂，最终打印出所需砂模；
步骤2：在所得的砂模表面刷涂树脂，置于高温试验箱内加热固化至砂模的表面硬度和强度达到铺放要求，冷却后在其表面铺贴脱模布；
步骤3：采用复合材料自动铺放技术，经铺放机的推送、裁剪及辊压，将预浸料按照既定轨迹铺贴于砂模表面；
步骤4：利用真空袋和热压罐方式，实现砂模表面预浸料的固化；
步骤5：粉碎砂模，清理残余砂粒，得到复合材料的异形回转体。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印轻量化砂模的复合材料异形回转体成型方法，其特征在于：所述步骤1中，打印砂模由内部的镂空结构和外部的砂壳组成；内部的镂空结构通过桁架拓扑优化确，外壁的砂壳的厚度根据镂空算法随所述异形回转体壁厚变化而变化，制得的砂模抗压强度不低于5MPa。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印轻量化砂模的复合材料异形回转体成型方法，其特征在于：所述砂模采用耐火骨料，选用100/200目的棕刚玉或陶粒砂或锆英砂。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印轻量化砂模的复合材料异形回转体成型方法，其特征在于：所述步骤2中，采用3D打印用呋喃树脂，在树脂加热固化的过程中增强砂模的表面硬度和刚度，使固化后的砂模原始硬度值不低于90。
5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印轻量化砂模的复合材料异形回转体成型方法，其特征在于：所述步骤2中，加热固化的温度为150℃，固化时间1h。
6.根据权利要求1所述的一种基于3D打印轻量化砂模的复合材料异形回转体成型方法，其特征在于：所述步骤2中，铺贴的脱模布为ToolTec带胶脱模布或斜纹尼龙脱模布。
7.根据权利要求1所述的一种基于3D打印轻量化砂模的复合材料异形回转体成型方法，其特征在于：所述步骤4中，固化温度为140～180℃，固化时间为3～5h，固化压力为0.8～1MPa。
8.根据权利要求1所述的一种基于3D打印轻量化砂模的复合材料异形回转体成型方法，其特征在于：所述砂模为一次性模具，在脱模阶段通过破坏模具的方式，实现快速脱模。
9.根据权利要求1所述的一种基于3D打印轻量化砂模的复合材料异形回转体成型方法，其特征在于：所述步骤5中，粉碎时，从砂模端面开始向内剪断组成砂模镂空结构的桁架组织，失去桁架支撑所述镂空砂模自然解体，清空残留砂屑即得到所需复合材料的异形回转体。
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