CN106980737B - 一种连续纤维增强复合材料轻质结构的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种连续纤维增强复合材料轻质结构的制造方法，利用连续纤维增强复合材料轻质结构轮廓‑内部芯材搭接和内部芯材复杂形状十字搭接方法，获得一体化连续纤维增强复合材料轻质结构；利用连续纤维增材复合材料3D打印工艺，采用连续路径策略，实现高性能连续纤维增强复合材料轻质结构的快速、低成本一体化制造。

Description

一种连续纤维增强复合材料轻质结构的制造方法
技术领域
本发明涉及连续纤维增强复合材料轻质结构技术领域，具体涉及一种连续纤维增强复合材料轻质结构的制造方法。
背景技术
连续纤维增强复合材料轻质结构利用不同材料和结构的优点，实现整个制件的性能最佳，具有高比强度、高比模量、可设计性强和功能性(如吸波和隔热)等优点，被广泛应用于航天航空、高速列车和船舶等领域。传统连续纤维增强复合材料轻质结构的制造工艺主要包括三个步骤，首先是通过沉积法、浸渍法等工艺制备预浸料，然后通过铺放成形、拉挤成形、缠绕成形等制造简单形状复合材料制件，最后通过机加工、装配、胶结等工艺制备出连续纤维增强复合材料轻质结构。传统连续纤维增强复合材料轻质结构的成形工艺存在以下缺点：制造工艺复杂，需要二次加工，生产周期长；成形大多需要模具，成本较高；需要胶结或装配等工序，制件的复杂度有限，大大限制了复合材料轻质结构的应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种连续纤维增强复合材料轻质结构的制造方法，实现了快速、低成本一体化制造。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种连续纤维增强复合材料轻质结构的制造方法，包括以下操作步骤：
1)利用计算机辅助设计(CAD)软件，建立三维连续纤维增强复合材料轻质结构的宏观外轮廓模型；
2)利用切片处理软件，对宏观外轮廓模型进行切片处理，获得切片轮廓数据信息；
3)将切片轮廓数据信息导入计算机辅助设计(CAD)软件中，根据连续纤维增强复合材料轻质结构的使用性能要求，采用连续纤维增强复合材料轻质结构轮廓-内部芯材搭接和内部芯材复杂形状十字搭接方法设计连续纤维增强复合材料轻质结构的内部芯材结构模型，结合内部芯材结构模型和宏观外轮廓模型，获得一体化连续纤维增强复合材料轻质结构，然后，将该结构节点信息导出；
4)对节点信息进行处理，采用首尾顺序遍历方法，对节点进行排序，以获得连续纤维增强复合材料轻质结构的连续路径；
5)根据连续纤维增强复合材料3D打印工艺的要求，处理连续纤维增强复合材料轻质结构的连续路径，计算工艺参数，获得连续纤维增强复合材料3D打印装备匹配的数据文件；
6)将连续纤维增强复合材料3D打印装备匹配的数据文件导入连续纤维增强复合材料3D打印***，以连续纤维作为复合材料的增强体，可熔材料作为基体，采用连续纤维增强复合材料3D打印的方法制备一体成形的连续纤维增强复合材料轻质结构。
所述的步骤1)中计算机辅助设计(CAD)软件为Autodesk Inventor、SolidWorks、CATIA、中望3D、Pro/E、AutoCAD、UG NX、SolidEdge或Onespace。
所述的步骤2)中切片处理软件为Magics、Cura、XBuilder、Maker Bot、Slic3r或Simplify3D。
所述的连续纤维为碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玻璃纤维或聚对苯撑苯并双噁唑纤维。
所述的步骤6)中可熔材料为热塑性树脂或低熔点合金。
本发明的优点：与现有技术相比，本发明将连续纤维增强复合材料3D打印工艺引入轻质结构研发领域，为连续纤维增强复合材料轻质结构提供了一套完整的制造方法，能够根据连续纤维增强复合材料轻质结构的性能要求布置芯材结构，采用连续纤维增强复合材料轻质结构轮廓-内部芯材搭接和内部芯材复杂形状十字搭接设计与制造方法，解决传统制造方法带来的面板-芯材剥离失效的问题，该方法具有良好的适用性，能够实现高性能连续纤维增强复合材料轻质结构的快速、低成本一体化制造。
附图说明
图1是实施例搭接方法的示意图。
图2是实施例一体化连续纤维增强复合材料轻质曲形夹层结构示意图。
图3是实施例连续纤维增强复合材料轻质曲形夹层结构样件。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例采用连续纤维增强复合材料3D打印装备，UG NX为建模软件，以连续纤维增强复合材料轻质曲形夹层结构为例。
一种连续纤维增强复合材料轻质结构的制造方法，包括以下操作步骤：
1)利用UG NX软件，建立三维连续纤维增强复合材料轻质曲形夹层结构的宏观外轮廓模型，导出宏观外轮廓模型的STL文件；
2)将得到的宏观外轮廓模型的STL文件导入切片处理软件Magics中，对连续纤维增强复合材料轻质曲形夹层结构的宏观外轮廓模型进行切片处理，获得切片轮廓数据信息，将其保存为SLC文件格式输出；
3)将SLC文件中保存的切片轮廓信息导入AutoCAD软件中，根据连续纤维增强复合材料轻质曲形夹层结构的抗冲击性能要求，采用连续纤维增强复合材料轻质结构轮廓-内部芯材搭接和内部芯材复杂形状十字搭接方法设计样条波纹构型的内部芯材结构模型，参照图1，结合内部芯材结构模型和宏观外轮廓模型，获得连续纤维增强复合材料轻质结构轮廓-内部芯材一体化的连续纤维增强复合材料轻质曲形夹层结构，参照图2，该结构节点信息导出为TXT文件格式；
4)对节点信息进行处理，采用首尾顺序遍历方法，利用Visual Studio软件编程对结构节点信息排序，获得连续纤维增强复合材料轻质结构的连续路径；
5)根据连续纤维增强复合材料3D打印工艺的要求，处理连续纤维增强复合材料轻质结构的连续路径，根据移动距离，计算进丝量，连续纤维增强复合材料3D打印成形中送丝量L1根据送进丝材体积等于挤出成形体积计算，L1＝4·L2·K·H/(π·D2)，其中L2为打印距离，K为打印线宽，H为打印层厚，D为丝材直径，将获得的打印工艺参数保存为Gcode文件格式；
6)将包含连续路径的Gcode文件导入连续纤维增强复合材料3D打印***，以连续芳纶纤维作为复合材料的增强体，聚乳酸作为基体，采用连续纤维增强复合材料3D打印的方法制备一体成形的连续纤维增强复合材料轻质曲形夹层结构，参照图3。

Claims (5)

1.一种连续纤维增强复合材料轻质结构的制造方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
1)利用计算机辅助设计CAD软件，建立三维连续纤维增强复合材料轻质结构的宏观外轮廓模型；
2)利用切片处理软件，对宏观外轮廓模型进行切片处理，获得切片轮廓数据信息；
3)将切片轮廓数据信息导入计算机辅助设计CAD软件中，根据连续纤维增强复合材料轻质结构的使用性能要求，采用连续纤维增强复合材料轻质结构轮廓-内部芯材搭接和内部芯材复杂形状十字搭接方法设计连续纤维增强复合材料轻质结构的内部芯材结构模型，结合内部芯材结构模型和宏观外轮廓模型，获得一体化连续纤维增强复合材料轻质结构，然后，将该结构节点信息导出；
4)对节点信息进行处理，采用首尾顺序遍历方法，对节点进行排序，获得连续纤维增强复合材料轻质结构的连续路径；
5)根据连续纤维增强复合材料3D打印工艺的要求，处理连续纤维增强复合材料轻质结构的连续路径，计算工艺参数，获得连续纤维增强复合材料3D打印装备匹配的数据文件；
6)将连续纤维增强复合材料3D打印装备匹配的数据文件导入连续纤维增强复合材料3D打印***，以连续纤维作为复合材料的增强体，可熔材料作为基体，采用连续纤维增强复合材料3D打印的方法制备一体成形的连续纤维增强复合材料轻质结构。
2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料轻质结构的制造方法，其特征在于：所述的步骤1)中计算机辅助设计CAD软件为Autodesk Inventor、SolidWorks、CATIA、中望3D、Pro/E、AutoCAD、UG NX、SolidEdge或Onespace。
3.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料轻质结构的制造方法，其特征在于：所述的步骤2)中切片处理软件为Magics、Cura、XBuilder、MakerBot、Slic3r或Simplify3D。
4.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料轻质结构的制造方法，其特征在于：所述的连续纤维为碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玻璃纤维或聚对苯撑苯并双噁唑纤维。
5.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料轻质结构的制造方法，其特征在于：所述的步骤6)中可熔材料为热塑性树脂或低熔点合金。
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