CN108068319A - 一种连续纤维复合材料增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种连续纤维复合材料增材制造方法，属于增材制造技术领域。根据零件的性能和形状精度要求，对其CAD模型进行分层并得到层片信息；将Z向增强材料布置在支撑平台后，根据当前层的层片信息，沿Z向增强材料间隙打印一层连续纤维，再打印一层热塑性基体；将已打印的连续纤维和热塑性基体压实，在压力作用下加热熔化热塑性基体，使热塑性基体充分包覆连续纤维和Z向增强材料，完成当前层打印；重复上述过程直至完成复合材料零件的打印。通过预置Z向增强材料和同步加热加压作用下热塑性基体材料充分包覆连续纤维和Z向增强材料，有效提高零件的力学性能，为航空航天、国防军工复杂结构零件的一体化成形提供了新方法。

Description

一种连续纤维复合材料增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种连续纤维复合材料增材制造方法，属于增材制造（3D打印）技术领域。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料具有高强度、高模量、比重小、热稳定性好、可设计性强等特点，其优异的综合性能正是追求结构质量效率最大化的航空航天、国防军工产品所需。传统的成型工艺过程较复杂，加工成本较高，且无法实现复杂结构件的快速制造，大大限制了纤维增强树脂基复合材料的应用范围。
增材制造也叫3D打印，区别于传统的减材或等材加工制造方法，是采用材料逐层累加的方法制造实体零件。其工作原理是将物理实体的计算机三维模型离散成一系列的二维层片，利用精密喷头或激光热源，根据层片信息，在数字化控制驱动下，将熔覆的成型材料通过连续的物理层叠加固化，逐层增加材料来生成三维实体产品。
相比传统的纤维增强树脂基复合材料的成型工艺，3D打印工艺过程简单，加工成本低，材料利用率高，降低了复合材料构件的制造成本，同时可实现复杂结构零件的一体化成形，为轻质复合材料结构的低成本快速制造提供了一个有效技术途径。目前，能够进行复合材料3D制造的主要有选区激光烧结（SLS）、熔融沉积成型（FDM）、分层实体制造（LOM）以及立体光刻技术（LS）。采用上述技术初步实现了短切纤维增强复合材料和连续纤维增强层合复合材料的3D打印，成型的复合材料纤维体积分数低、层间强度差，导致纤维增强复合材料的性能不能完全满足航空航天、国防军工产品的需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种连续纤维复合材料增材制造方法，通过预置Z向增强材料和同步加热加压作用下热塑性基体材料充分包覆连续纤维和Z向增强材料，提高了零件的力学性能。
为了达到上述目的，本发明采用根据下的技术方案：
一种连续纤维复合材料增材制造方法，包括根据下步骤：
S1：根据零件的结构性能及外形尺寸特点，对其CAD模型进行分层，得到层片信息和Z向增强材料布局信息；
S2：根据Z向增强材料布局信息，将Z向增强材料布置在支撑平台上；
S3：根据当前层的层片信息，按照设计的路径将连续纤维沿Z向增强材料间隙打印；连续纤维打印完成后，按照设计的路径沿Z向增强材料间隙进行热塑性基体材料的打印；
S4：将当前层的连续纤维和热塑性基体材料进行压实；
S5：在当前层压实状态下，加热熔化热塑性基体材料，使热塑性基体充分包覆纤维和Z向增强材料，完成当前层打印，支撑平台下降一层高度；
S6：重复步骤S3、S4和S5，直至完成零件的打印；
S7：对完成打印的零件进行后处理。
所述连续纤维包括碳纤维、石墨纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、凯夫拉纤维中的一种或几种。
所述热塑性基体材料包括聚乳酸材料、聚醚醚酮材料、聚芳醚酮材料、ABS树脂材料、聚碳酸酯材料、聚酰胺材料、聚酰亚胺材料和尼龙材料中的一种或几种。
所述的连续纤维可以是1K、3K、6K和12K的一种或几种。
所述Z向增强材料为刚性材料或柔性材料。
所述刚性Z向增强材料包括金属材料、纤维增强热固性材料、纤维增强热塑性材料、热塑性树脂材料、热固性树脂材料中的一种或几种。
所述柔性Z向增强材料包括碳纤维、石墨纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、凯夫拉纤维中的一种或几种。
所述柔性Z向增强材料和连续纤维相同或不同。
当Z向增强材料为柔性材料是，S2还包括采用辅助刚性棒和辅助刚性棒固定装置将柔性Z向增强材料固定的过程。
本发明的有益效果：
（1）连续纤维复合材料包括Z向增强材料，可以有效提高零件的力学性能；
（2）由于热塑性基体材料和连续纤维在压力状态下加热热塑性基体材料，使基体材料充分包覆纤维和Z向增强材料，能有效地降低孔隙率，提高界面结合强度，从而提高零件的力学性能。
附图说明
图1为一种连续纤维复合材料增材制造方法的某一层打印过程示意图；
图2为零件为弧状时打印过程示意图；
其中：1-Z向增强材料；2-连续纤维；3-热塑性基体材料；4-零件；5-支撑平台；6-压实装置；。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
零件为大型圆弧状薄壁件，如图2所示为某一层打印过程，其中连续纤维选用碳纤维，Z向增强材料选用碳纤维增强聚乳酸刚性棒，基体材料选用聚乳酸材料。
具体实施步骤为：
S1：根据零件的结构性能及外形尺寸特点，对其CAD模型进行分层，得到层片信息和Z向增强材料布局信息；
S2：Z向增强材料布局信息，将碳纤维增强聚乳酸刚性棒按照正三角形布置在支撑平台上；
S3：根据当前层的层片信息，按照设计的路径将碳纤维沿碳纤维增强聚乳酸刚性棒的间隙打印；碳纤维打印完成后，按照设计的路径沿碳纤维增强聚乳酸刚性棒的间隙进行聚乳酸材料的打印；
S4：将当前层的碳纤维和聚乳酸材料进行压实；
S5：在当前层压实状态下，加热熔化聚乳酸材料，使聚乳酸材料充分包覆碳纤维和碳纤维增强聚乳酸刚性棒，完成当前层打印，工作台下降一层高度；
S6：重复步骤S3、S4和S5，直至完成复大型圆弧状薄壁件的打印；
S7：对完成打印的零件进行后处理。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽量通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于，包括根据下步骤：
S1：根据零件的结构性能及外形尺寸特点，对其CAD模型进行分层，得到层片信息和Z向增强材料布局信息；
S2：根据Z向增强材料布局信息，将Z向增强材料布置在支撑平台上；
S3：根据当前层的层片信息，按照设计的路径将连续纤维沿Z向增强材料间隙打印；连续纤维打印完成后，按照设计的路径沿Z向增强材料间隙进行热塑性基体材料的打印；
S4：将当前层的连续纤维和热塑性基体材料进行压实；
S5：在当前层压实状态下，加热熔化热塑性基体材料，使热塑性基体充分包覆纤维和Z向增强材料，完成当前层打印，支撑平台下降一层高度；
S6：重复步骤S3、S4和S5，直至完成零件的打印；
S7：对完成打印的零件进行后处理。
2.根据权利要求1所述的一种连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于所述连续纤维包括碳纤维、石墨纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、凯夫拉纤维中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于所述热塑性基体材料包括聚乳酸材料、聚醚醚酮材料、聚芳醚酮材料、ABS树脂材料、聚碳酸酯材料、聚酰胺材料、聚酰亚胺材料和尼龙材料中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于所述的连续纤维可以是1K、3K、6K和12K的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于所述Z向增强材料为刚性材料或柔性材料。
6.根据权利要求5所述的一种连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于所述刚性Z向增强材料包括金属材料、纤维增强热固性材料、纤维增强热塑性材料、热塑性树脂材料、热固性树脂材料中的一种或几种。
7.根据权利要求5所述的一种连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于所述柔性Z向增强材料包括碳纤维、石墨纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、凯夫拉纤维中的一种或几种。
8.根据权利要求5所述的一种连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于所述柔性Z向增强材料和连续纤维相同或不同。
9.根据权利要求7或8所述的一种连续纤维复合材料增材制造方法，其特征在于S2还包括采用辅助刚性棒和辅助刚性棒固定装置将柔性Z向增强材料固定的过程。
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