CN116330701A - 三维打印碳纤维复合材料表面的碳纤维包覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维打印碳纤维复合材料表面的碳纤维包覆方法，通过在三维打印碳纤维复合材料表面同时包覆金属网和碳纤维布铺层，并增加了隔离膜和真空压缩的工艺步骤，包覆后的部件的力学性能和导热性能都有明显的提升，从而能够大大的提升部件的工作载荷和使用寿命，同样在部件表面也起到了装饰的作用，具有制备工艺简单，制造成本低等特点，在工业化生产方面可实施性高，具有巨大的市场潜力和广阔的应用前景，对碳纤维复合材料在机器人轻量化推广应用中有着重要的作用。

Description

三维打印碳纤维复合材料表面的碳纤维包覆方法

技术领域

本发明涉及新型材料加工技术领域，尤其涉及一种三维打印碳纤维复合材料表面的碳纤维包覆方法。

背景技术

碳纤维复合材料因其具有高比强度、高比模量、耐疲劳、耐腐蚀、低膨胀系数、抗震动、可设计性强、便于大面积整体成型以及减磨耐磨等优势，常用来代替部分金属材料，在航天航空、军工及民用领域都得到了广泛应用。三维打印技术具有成本低、生产率高、研发周期短和易于加工复杂模型的优点。将碳纤维复合材料与三维打印技术相结合，能同时发挥其材料特性和成型方式的优势，解决碳纤维复合材料成型工艺繁琐，难以制造复杂结构模型等问题。

随着机器人轻量化的发展趋势，材料轻量化相对于结构轻量化而言，具有更大的减重潜力和更广阔的应用范围。用三维打印碳纤维复合材料代替铝合金制成的机械臂关节，能够实现整体大幅度的减重，进而减少机械惯性，提高精确度，降低能耗。但机械臂还不能进行大负荷的工作，这是由于三维打印过程中成型压力小、纤维浸渍不充分，使得成型后的碳纤维复合材料孔隙率高、纤维体积含量偏低，使得其力学性能还有待提高。且碳纤维复合材料的导热性能还远远不及铝合金等金属材料，机械臂关节长久工作时局部会发生过热现象，由于树脂基体耐热度不高，厚度方向的树脂层会先被破坏，从而大大缩短了机械臂的使用寿命。

因此，为了使三维打印碳纤维复合材料能够在机器人等领域的更广泛应用，如何同时改善三维打印碳纤维复合材料的力学性能和导热性能成为亟待解决的难题。

发明内容

本发明提供一种三维打印碳纤维复合材料表面的碳纤维包覆方法，用以解决现有技术中三维打印碳纤维复合材料的力学性能和导热性不足的缺陷，通过在三维打印碳纤维复合材料表面同时包覆金属网和碳纤维布铺层，并增加了隔离膜和真空压缩的工艺步骤，实现三维打印短碳纤维复合材料的导热性能和力学性能的大幅提升，从而使三维打印碳纤维复合材料能够在机器人等领域的更广泛应用。

本发明提供一种三维打印碳纤维复合材料表面的碳纤维包覆方法，包括：

S1、对待包覆的部件表面进行打磨并擦拭干净；

S2、将底胶混合搅拌均匀后，在经S1处理后的部件的表面均匀涂抹底胶；

S3、将剪切到预设大小的金属网铺到S2得到的部件表面；

S4、将剪切到预设大小的碳纤维布铺在所述金属网的表面；

S5、在经S4处理后的部件表面完全覆盖一层隔离膜；

S6、将经S5处理后的部件放到真空袋中，做好密封后抽真空；

S7、将经S6处理后的部件放在加热设备中加热1-2个小时或者在常温下至少12个小时，直至部件表面的胶层完全固化，加热温度设置在40-60度；

S8、将经S7处理后的部件从所述加热设备中取出，去掉部件表面覆盖的所述隔离膜，裁剪掉部件边缘多余的铺层，并将部件表面打磨平整；

S9、将面胶混合缓慢搅拌均匀，静置5-10分钟后，在经S8处理后的部件表面均匀涂抹上一层薄薄的面胶，涂抹完毕后将涂抹有面胶的部件在加热设备中加热1-3个小时或者在常温下至少3个小时，加热温度设置在40-60度，等待部件表面的面胶完成凝固后，再次涂抹一层薄薄的面胶，然后再次将部件在加热设备中加热，重复操作，直至涂抹完成3-4层面胶；

S10、待经S9处理后的部件的表面胶层完全固化后，对其表面进行打磨抛光和喷涂油漆操作，得到碳纤维包覆部件成品；

所述底胶为环氧树脂碳纤维打底胶，分为主剂A和固化剂B，质量比为1：1；

所述面胶为碳纤维包覆环氧树脂面胶，分为主剂A和固化剂B，质量比为2：1；

所述加热设备为智能数显电热烘箱或加热炉。

根据本发明提供的一种三维打印碳纤维复合材料表面的碳纤维包覆方法，所述待包覆的部件优选为三维打印碳纤维复合材料。

根据本发明提供的一种三维打印碳纤维复合材料表面的碳纤维包覆方法，所述金属网优选为20目-100目的紫铜网，其包覆层数为1-2层，所述碳纤维布优选为3K平纹或者斜纹碳纤维布，其包覆层数为1-2层。

根据本发明提供的一种三维打印碳纤维复合材料表面的碳纤维包覆方法，所述隔离膜优选为保鲜膜，所述真空袋的材料优选为聚酰胺和聚乙烯。

本发明提供的一种三维打印碳纤维复合材料表面的碳纤维包覆方法，通过在三维打印碳纤维复合材料表面同时包覆金属网和碳纤维布铺层，并增加了隔离膜和真空压缩的工艺步骤，包覆后的部件的力学性能和导热性能都有明显的提升，从而能够大大的提升部件的工作载荷和使用寿命，同样在部件表面也起到了装饰的作用，具有制备工艺简单，制造成本低等特点，在工业化生产方面可实施性高，具有巨大的市场潜力和广阔的应用前景，对碳纤维复合材料在机器人轻量化推广应用中有着重要的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。

图1是本发明提供的一种三维打印碳纤维复合材料表面的碳纤维包覆方法的工艺路线图；

图2是本发明提供的机械臂零件效果图。

附图标记：

1：机械臂关节本体；2：里层铜网复合铺层；3：外层碳纤维布复合铺层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图2描述本发明的一种三维打印碳纤维复合材料表面的碳纤维包覆方法。

请参考图1，图1是本发明提供的一种三维打印碳纤维复合材料表面的碳纤维包覆方法的工艺路线图。

将三维打印碳纤维复合材料应用在机器人等领域中，比如多个机械臂关节使用三维打印碳纤维复合材料成型，当机械臂在工作时，不能够连续性的长久工作，因为碳纤维复合材料导热性差，会在局部发生过热现象，由于树脂基体耐热度不高，厚度方向的树脂层会先被破坏，大大缩短机械臂的使用寿命。同时也不能够大负荷的工作，这是由于这种技术成型的零部件的力学性能还有待提高。综上，特别是应用在复杂曲面结构的零部件中，需要解决三维打印碳纤维复合材料的轻量化快速成型复杂结构件的力学性能和导热性能不足的问题。

当前，还没有成功研究出能够同时克服以上问题的三维打印的碳纤维复合材料，那么就只能通过对部件进行表面处理来解决，可以参考的有表面碳纤维包覆工艺和导热涂层的方法。比如应用在头盔上，通过在头盔表面包覆碳纤维布和环氧树脂胶，能够提高头盔的力学性能。在零件表面涂抹导热材料，能够提高零件的散热能力和导热性能。无论哪一种技术，都无法同时克服以上两个问题。

为了解决现有技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种三维打印碳纤维复合材料表面的碳纤维包覆方法，待包覆的部件为三维打印碳纤维复合材料PA12-CF。具体碳纤维复合材料部件的碳纤维包覆步骤如下：

S1、表面预处理：对待包覆的部件表面进行打磨并擦拭干净。

具体的，先用150目水砂纸对部件表面进行粗打磨，直至表面的打印纹理消失，然后用400目水砂纸对表面再次打磨平整，最后用酒精将表面擦拭干净后晾干。

S2、涂底胶：将底胶混合搅拌均匀后，在经S1处理后的部件的表面均匀涂抹底胶。

具体的，将环氧树脂碳纤维打底胶AB组分(A主剂和B固化剂)按质量1：1混合搅拌均匀后，在经S1处理后的部件表面用尼龙刷均匀涂抹一层厚厚的底胶，底胶与碳纤维布的结合力很好。

S3、表面铺层：将剪切到预设大小的金属网铺到S2得到的部件表面，然后再将剪切到预设大小的碳纤维布铺在金属网的表面。

具体的，先裁剪合适大小的60目紫铜网，铺1层在S2得到的部件表面，然后再将剪切合适大小的3K斜纹碳纤维布铺1层在紫铜网表面；60目的紫铜网有很好的导电导热性能，属于软金属，比较容易贴附在曲面上，有合适的孔隙，能够渗透环氧树脂打底胶与碳纤维布更好的结合；3K斜纹碳纤维布，合适的力学性能，较柔软，能够比较容易贴附在曲面上。

S4、覆盖隔离膜：在经S3处理后的部件表面完全覆盖一层隔离膜。

具体的，裁剪合适大小的保鲜膜，完全覆盖在经S3处理后的部件的表面，并保证表面贴合平整；保鲜膜能够很好地与胶层分离开，并且负压下能够将铺层压平，具有制备工艺简单，制造成本低等特点，在工业化生产方面可实施性高。

S5、装入真空袋：将经S4处理后的部件放到真空袋中，做好密封后抽真空。

具体的，将经S4处理后的部件放入到食品真空袋中，密封好后用食品用真空泵抽真空，保证真空袋不漏气以及底胶完全浸润铺层且与部件表面紧紧贴合；保鲜膜能隔离部件与真空袋的直接接触，保护真空袋能够正常使用。

真空袋的材料为聚酰胺和聚乙烯(PA+PE)，绿色环保，大大降低了工艺成本。

S6、固化：将经S5处理后的部件放在加热设备中加热1-2个小时或者在常温下至少12个小时，直至部件表面的胶层完全固化，加热温度设置在40-60度。

具体的，将经S5处理后的部件放入电热烘箱，设置温度在60度，加热1个小时，直至部件表面的胶层完全固化。

当然，加热设备可以为智能数显电热烘箱或加热炉。

S7、表面预处理：将经S6处理后的部件从加热设备中取出，去掉部件表面覆盖的隔离膜，裁剪掉部件边缘多余的铺层，并将部件表面打磨平整。

具体的，将经S6处理后的部件从加热设备中取出，去掉保鲜膜，裁剪掉边缘多余的铺层，然后用400目的水砂纸对表面进行打磨平整；

S8、涂面胶：将面胶混合缓慢搅拌均匀，静置5-10分钟后，在经S7处理后的部件表面均匀涂抹上一层薄薄的面胶，涂抹完毕后将涂抹有面胶的部件在加热设备中加热1-3个小时或者在常温下至少3个小时，加热温度设置在40-60度，等待部件表面的面胶完成凝固后，再次涂抹一层薄薄的面胶，然后再次将部件在加热设备中加热，重复操作，直至涂抹完成3-4层面胶。

具体的，将碳纤维包覆环氧树脂面胶AB组分，按质量2：1混合缓慢搅拌均匀，静置10分钟后，在经S7处理后的部件表面用尼龙刷均匀涂抹上一层薄薄的面胶，然后放入电热烘箱，设置温度在60度，加热1个小时。待第一层胶层凝固后，再次涂抹一层薄薄的面胶，然后再次将部件在加热设备中加热。重复操作，直至涂抹完成3层面胶，面胶的固化效果较好，能够保护部件表面，并起到装饰的作用。

S9、表面后处理：待经S8处理后的部件的表面胶层完全固化后，对其表面进行打磨抛光和喷涂油漆操作，得到碳纤维包覆部件成品。

对无表面包覆、表面碳纤维布包覆和本发明实施例得到的碳纤维包覆部件成品进行导热性能和力学性能实验后，得到的数据如表1所示。

表1

与现有碳纤维包覆工艺的区别在于，现有碳纤维包覆工艺主要应用于汽车方向盘、自行车车架、头盔等简单曲面的塑料部件上，只包覆碳纤维布铺层，能够提高塑料部件的力学性能以及在表面上起到装饰的作用。而本发明可用于复杂曲面结构的三维打印碳纤维复合材料部件表面上，比如机械臂关节，同时包覆了金属网和碳纤维布铺层，增加了隔离膜和真空压缩的工艺步骤，与在三维打印碳纤维复合材料表面只包覆碳纤维布铺层相比，包覆后的部件的力学性能和导热性能都有明显的提升，弯曲强度再提高了28％，达到176.76MPa，使得三维打印短碳纤维复合材料部件在包覆铺层后的弯曲强度基本达到了普通铝合金的水平，弹性模量再提高了22％，达到11.14GPa，导热系数提高了31％，达到0.388W/m·K，从而能够大大的提升部件的工作载荷和使用寿命，同样在部件表面也起到了装饰的作用。

另外，相关的技术研究中，比如使用铜网用于飞机的蒙皮表面上起到防雷电作用，因为蒙皮主要采用了碳纤维复合材料，而碳纤维复合材料的电导率低且具有各向异性，电阻率大，受雷电作用后会发生烧蚀导致蒙皮损伤，这里将铜网贴附于编织的碳纤维布最外层，采用模压成型制成表面具有铜网防护层的碳纤维复合材料的层合板，然后将具有一定刚性的层合板用铆钉固定在蒙皮上，因此这里使用了铜网是间接贴附于蒙皮最表面上，由于铜具有很好的导电性，能够降低飞机蒙皮表面的电阻率，使电流更容易消散，从而保护了飞机蒙皮不受雷电的损伤。

再比如层状结构树脂基受电弓滑板是由复合材料和层状铺设的铜网通过热压成型制备而成的，在滑板结构中铺设了多层的铜网，主要还是利用铜网具有很好的导电性，属于软金属，作为滑板主要的导电组分，同时为了提高滑板的韧性。

请参考图2，图2为本发明提供的机械臂零件效果图。

机械零件包括机械臂关节本体1、里层铜网复合铺层2和外层碳纤维布复合铺层3。本发明中，碳纤维布在最顶层，铜网在碳纤维布之下。主要利用的是铜网具有很好的导热性，属于软金属。在结构上，环氧树脂打底胶可以部分透过铜网的孔隙，与碳纤维布很好的结合，便于将铜网包覆，形成稳定的包覆膜，直接贴附于具有复杂曲面结构的三维打印碳纤维复合材料部件表面上，以此提高部件的力学性能和导热性能，膜厚小，无需模具，也可常温下制作，工艺简单，周期短，效率高，成本低。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种三维打印碳纤维复合材料表面的碳纤维包覆方法，其特征在于，包括：

S1、对待包覆的部件表面进行打磨并擦拭干净；

S2、将底胶混合搅拌均匀后，在经S1处理后的部件的表面均匀涂抹底胶；

S3、将剪切到预设大小的金属网铺到S2得到的部件表面，然后再将剪切到预设大小的碳纤维布铺在所述金属网的表面；

S4、在经S3处理后的部件表面完全覆盖一层隔离膜；

S5、将经S4处理后的部件放到真空袋中，做好密封后抽真空；

S6、将经S5处理后的部件放在加热设备中加热1-2个小时或者在常温下至少12个小时，直至部件表面的胶层完全固化，加热温度设置在40-60度；

S7、将经S6处理后的部件从所述加热设备中取出，去掉部件表面覆盖的所述隔离膜，裁剪掉部件边缘多余的铺层，并将部件表面打磨平整；

S8、将面胶混合缓慢搅拌均匀，静置5-10分钟后，在经S7处理后的部件表面均匀涂抹上一层薄薄的面胶，涂抹完毕后将涂抹有面胶的部件在加热设备中加热1-3个小时或者在常温下至少3个小时，加热温度设置在40-60度，等待部件表面的面胶完成凝固后，再次涂抹一层薄薄的面胶，然后再次将部件在加热设备中加热，重复操作，直至涂抹完成3-4层面胶；

S9、待经S8处理后的部件的表面胶层完全固化后，对其表面进行打磨抛光和喷涂油漆操作，得到碳纤维包覆部件成品；

所述底胶为环氧树脂碳纤维打底胶，分为主剂A和固化剂B，质量比为1：1；

所述面胶为碳纤维包覆环氧树脂面胶，分为主剂A和固化剂B，质量比为2：1；

所述加热设备为智能数显电热烘箱或加热炉。

2.根据权利要求1所述的三维打印碳纤维复合材料表面的碳纤维包覆方法，其特征在于，所述待包覆的部件为三维打印碳纤维复合材料。

3.根据权利要求1所述的三维打印碳纤维复合材料表面的碳纤维包覆方法，其特征在于，所述金属网为20目-100目的紫铜网，其包覆层数为1-2层，所述碳纤维布为3K平纹或者斜纹碳纤维布，其包覆层数为1-2层。

4.根据权利要求1所述的三维打印碳纤维复合材料表面的碳纤维包覆方法，其特征在于，所述隔离膜为保鲜膜，所述真空袋的材料为聚酰胺和聚乙烯。

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