CN109080170B - 一种连续纤维复合材料壳体制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续纤维复合材料壳体制造方法，制造过程如下：(1)运动模块驱动热塑性材料挤出机构在打印平台上按照预先设计的结构打印芯模，所述芯模设有与过液孔对准的树脂流道；(2)运动模块驱动缠绕机构和打印平台在已打印芯模上按照设计路径缠绕干燥的连续纤维，获得预制体；(3)覆膜机构将真空薄膜覆盖在连续纤维预制体上，预制体下部的树脂流道连通过液孔和连续纤维区域，预制体上部的树脂流道连通连续纤维区域，顶部设有树脂导流口；(4)将树脂液泵满树脂液箱，启动真空辅助单元的真空泵，树脂液从连续纤维预制体底部逐渐上传到顶部；(5)待树脂固化后，从打印平台移走结构件，并使各模块复位，整个工作过程结束。
Description
技术领域
本发明涉及连续纤维复合材料制造技术领域，特别涉及一种连续纤维复合材料壳体制造方法。
背景技术
碳纤维作为国家发展的战略性材料，具有高强度、高刚度、低比重、耐摩擦磨损、可循环回收使用等优异的特性，是新一代高性能轻量化的先进材料，由其制成的复合材料在汽车船舶、航空航天、轨道交通、医疗器械等领域具有重要应用前景。但传统碳纤维复合材料结构件面临制造工艺复杂、生产周期较长、往往需要模具和难以实现复杂结构制造的难题。对于单品种小批量结构件的制造，特别是单件结构的制造，开辟新的模具无疑会导致生产周期和制造成本的上升。
近年兴起的三维打印技术被认为是最适于个体化结构件制造的技术之一。已有研究者将其应用于连续碳纤维复合材料的制造，如申请号为ZL2014103256503的专利文献公开了一种连续长纤维增强复合材料3D打印机及其打印方法，该过程中无需预先定制模具以及预先处理过的纤维预浸带，大大降低了成本，同时，采用3D打印的方法，更好、更方便地控制所制造零件中增强纤维的方向，更容易得到具有定制化力学性能的复合材料零件，可实现具有复杂结构的复合材料零件的快速制造。又例如公开号为CN107127972A的专利文献公开了一种连续纤维增强复合材料增材制造喷头及打印机，由外喷头和内喷头组成，喷头结构简单，尺寸较小，可以提高成型精度；此外，内喷头的出口与外喷头的出口之间的竖直距离可调，可以控制纤维复合材料的对中性，改善成型质量，实现连续纤维增强复合材料增材制造。
上述方法和装置重点解决了如何实现连续碳纤维热塑性材料混合与打印的问题，但由于增材制造技术层层叠加的工艺特点，导致连续纤维复合材料在打印方向上的力学性能较差；此外，打印结构件还受制于热塑性材料基体性能的影响，其力学性能与传统连续碳纤维复合材料制造工艺制造的结构件相比仍有较大的差距。
发明内容
本发明提供了一种连续纤维复合材料壳体制造方法，将三维打印技术与纤维缠绕技术以及真空辅助浸渍技术相结合，实现高强度复杂连续纤维复合材料壳体结构的快速制造。
一种连续纤维复合材料壳体制造方法，采用的连续纤维复合材料壳体制造设备包括：
机架；
运动模块，安装在所述机架上的；
热塑性材料挤出单元和缠丝机构，由运动模块驱动的；
打印平台，包括：
树脂液箱，顶面开放，由运动模块驱动；
成型托板，密封所述树脂液箱的顶面，表面分布有多个过液孔，所述过液孔的背面连接有伸入树脂液箱中的导液管；
浸渍模块，包括：
树脂供应单元，向所述树脂液箱供应树脂；
覆膜机构，对干燥的连续纤维预制体进行覆膜；
真空辅助单元，为连续纤维预制体上的树脂导流口提供真空吸力；
制造过程如下：
(1)运动模块驱动热塑性材料挤出机构在打印平台上按照预先设计的结构打印芯模，所述芯模设有与过液孔对准的树脂流道；
(2)运动模块驱动缠绕机构和打印平台在已打印芯模上按照设计路径缠绕干燥的连续纤维，获得预制体；
(3)覆膜机构将真空薄膜覆盖在连续纤维预制体上，预制体下部的树脂流道连通过液孔和连续纤维区域，预制体上部的树脂流道连通连续纤维区域，顶部设有树脂导流口；
(4)真空辅助单元的吸管末端在运动模块的控制下与预制体上设置的树脂导流口对准，启动树脂供应单元的油泵，将树脂液泵满树脂液箱，启动真空辅助单元的真空泵，在真空泵辅助下，树脂液从连续纤维预制体底部逐渐上传到顶部，实现整个结构的浸渍，关闭真空泵和树脂供应单元的油泵；
(5)待树脂固化后，从打印平台移走结构件，并使各模块复位，整个工作过程结束。
为了便于去除支撑结构，优选的，步骤(1)中，芯模采用水溶性热塑性材料。如聚乙烯醇PVAL水溶性材料、丙烯酸AA类共聚物水溶性材料等。将整个结构件置于溶液中即可实现支撑结构的去除而直接获得最终结构件。
为了提高结构件的强度，优选的，步骤(2)中，连续纤维缠绕有多层，相邻层的连续纤维之间具有夹角。
为了便于制造，相邻层的连续纤维之间的夹角不宜过大，优选的，步骤(2)中，夹角角度为5°～45°。
为了使树脂浸渍均匀，优选的，步骤(1)中，设置的树脂流道设有多根且沿着周向均匀分布。
为确保浸渍效果，实现干燥连续纤维预制体充分浸渍，进一步优选的，所述真空薄膜内侧依次设有导流网和脱模布，为一种特制复合薄膜。
为了配合本发明方法，保证热塑性材料挤出单元、缠丝机构及浸渍模块彼此互不干涉，优选的，所述运动模块包括布置在打印平台上方的XY轴运动单元，XY轴运动单元设有两个动力输出端分别驱动热塑性材料挤出单元和缠丝机构。
所述真空辅助单元带有升降机构，真空泵和真空软管，优选的，所述真空辅助单元的真空软管和所述热塑性材料挤出单元安装在同一个XY轴运动单元的动力输出端上。
为了配合本发明方法，快速完成造芯和缠绕，优选的，所述运动模块包括：
Z轴运动单元；
安装架，固定在所述Z轴运动单元的动力输出端上；
翻转机构，包括翻转电机和翻转架，所述翻转电机固定安装在安装架上的电机座上，所述翻转架一端与翻转电机轴相连，一端转动安装在安装架上；
旋转电机，安装在翻转架上，旋转轴上安装所述树脂液箱。
上述结构可以带动结构件翻转和旋转，从而可以进行快速缠绕。
为了配合本发明方法，方便打开和密封树脂液箱，优选的，所述成型托板与树脂液箱的顶面开口螺纹配合。
为了适用于不同形状的结构件，优选的，所述成型托板上的过液孔自内向外环形分布。多个环形的设置，适用于不同直径的壳结构件进行浸渍。
为了进一步提高适用范围，优选的，同一环上的过液孔直径大小不同。同一环上的过液孔可以适用于不同厚度的壳结构件进行浸渍。
为实现真空薄膜自动覆盖，优选的，所述覆膜机构包括真空薄膜供料单元和六自由度机械手。依靠机械手配合打印平台的旋转运动实现将真空薄膜覆盖在已经缠绕好的干燥连续纤维预制体上。
本发明的有益效果：
(1)本发明的连续纤维复合材料壳体制造方法，将三维打印技术与连续纤维缠绕技术及真空辅助浸渍技术相结合，实现连续纤维复合材料壳体快速制造；
(2)本发明解决了传统碳纤维复合材料结构件面临制造工艺复杂、生产周期较长、往往需要模具和难以实现复杂结构制造的难题，同时可克服现有连续纤维复合材料三维打印技术制造结构件强度不高的问题。
附图说明
图1是本发明的连续纤维复合材料壳体制造方法的流程示意图。
图2是本发明使用的连续纤维复合材料壳体制造设备的整体结构示意图。
图3是图2中去除部分结构后的结构示意图。
图4是图2中打印平台的结构示意图。
图5是本发明的树脂液箱的结构示意图。
图6是本发明的成型托板的结构示意图。
图7是本发明方法的造芯工作过程的示意图。
图8是本发明方法的缠绕工作过程的示意图。
图9是本发明方法的浸渍工作过程的示意图。
图中各附图标记为：1.载物平台，2.六自由度机械手，3.真空泵，4.热塑性材料挤出单元，5.Y轴运动单元，6.真空辅助单元，7.Z轴运动单元，8.缠丝机构，9.X轴运动单元，10.树脂供应单元，11.连续纤维，12.预制体，46.挂板，101.打印平台，102.安装架，103.真空薄膜供料单元，104.翻转架，105.旋转电机，106.翻转电机，301.真空软管，401.热塑性材料挤出机构，402.热塑性材料供应单元，403.热塑性材料导管，601.真空软管导套，602.升降机构，603.驱动电机，801.升降机构，802.连续纤维送丝机构，803.连续纤维导管，804.驱动电机，1001.树脂液导管，1002.树脂液箱油泵，1003.树脂液，1011.成型托板，1012.树脂液箱，4011.挤出机，4012.打印喷头，4013.散热风扇，4021.热塑性材料，4022.热塑性材料支架，10111.外螺纹，10112.软管，10121.树脂液箱连接口，10122.内螺纹，10123.树脂液排放口。
具体实施方式
如图1～9所示，本实施例的连续纤维复合材料壳体制造方法使用的连续纤维复合材料壳体制造设备包括：载物平台1，六自由度机械手2，真空泵3，热塑性材料挤出单元4，Y轴运动单元5，真空辅助单元6，Z轴运动单元7，缠丝机构8和X轴运动单元9。X轴运动单元9和Y轴运动单元5组成平移运动单元，设有两个运动输出端，一个通过挂板46安装热塑性材料挤出单元4和真空辅助单元6，真空辅助单元6通过升级机构602实现上下升降运动；一个通过升降机构801安装缠丝机构8，缠丝机构8采用送丝机构802实现功能；真空辅助单元6带有真空软管导套601。
载物平台1包括：打印平台101，安装架102，翻转机构和旋转电机105。翻转机构包括翻转电机106和翻转架104，翻转电机106固定安装在安装架102上的电机座上，翻转架104一端与翻转电机轴相连，一端转动安装在安装架102上。旋转电机105安装在翻转架104上；打印平台101安装在旋转电机105旋转轴上。
打印平台101包括：安装在旋转电机105旋转轴上的树脂液箱1012和固定连接在树脂液箱1012上的成型托板1011。
树脂液箱设有与树脂液供应单元相连的树脂液箱连接口10121，用于安装成型托板的内螺纹10122以及用于树脂液排放的树脂液排放口10123。
为保证树脂快速浸渍干燥的连续纤维，成型托板上设有自内向外环形分布的多个过液孔，过液孔通过软管10112与树脂液箱1012中的树脂连通。
本实施例的连续纤维复合材料壳体制造方法，过程如下：
各模块复位，送丝机构802在升降机构801的驱动下提升至最高位置，在X轴一滚珠丝杠驱动下整体移动至X轴最右侧；同理，真空辅助单元6的真空软管301的导套601在升降机构602的驱动下移至最高位置，在X轴另一滚珠丝杠驱动下连同热塑性材料挤出机构401移至X轴最左侧；六自由度机械手2末端执行器连同机械臂移至最左侧；断开浸渍模块树脂供应单元10与树脂液箱1012的连接；造芯模块的打印平台在Z轴运动单元7驱动下移至最上端；
进行造芯，采用热塑性材料挤出机构401在载物平台1上按照预先设计好的结构打印芯模；具体过程为热塑性材料4021经热塑性材料导管403进入挤出机4011后经过打印喷头4012在成型托板1011上打印事先设计的芯模，冷却风扇4013加快熔融的热塑性材料的冷却。预设有树脂流道对准成型托板1011上的过液孔，可以根据结构件12形状的不同，在成型托板1011打印不同结构的芯模，预设的树脂流道也可以根据需要进行调整。
进行缠绕，待芯模打印结束后，热塑性材料挤出机构401移至X轴最左侧，启动缠丝机构8，连续纤维11经过连续纤维导管803进入连续纤维送料机构802，在驱动电机804驱动升降机构801下，结合成型托板1011的旋转及翻转运动实现在预先打印好的芯模上按照设计路径缠绕连续纤维，获得预制体12，预制体12上的纤维层与树脂流道连通。
进行浸渍，待纤维缠绕结束后，缠丝机构8移至X轴最右侧，六自由度机械手2将真空薄膜从真空薄膜供料单元103上覆盖在连续纤维预制体12上，将树脂供应单元10中树脂液箱油泵1002上的树脂液导管1001与打印平台101的树脂液箱1012相连；真空辅助单元6的真空软管301末端601在驱动电机603驱动升降机构602及X轴运动单元控制下与预制体12上设置的树脂导流口对准；启动树脂供应单元10的油泵1002，将树脂液1003泵满树脂液箱1012；启动真空辅助单元6的真空泵3，在真空泵3辅助下，树脂液1003从过液孔到连续纤维预制体12底部的树脂流道进口，逐渐上传到顶部，实现整个结构的浸渍，关闭真空泵3和树脂供应单元10的油泵1002，完成浸渍过程；
固化，待树脂固化后，从打印平台101移走结构件12，并使各模块复位，整个工作过程结束。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种连续纤维复合材料壳体制造方法，其特征在于，采用的连续纤维复合材料壳体制造设备包括：
机架；
运动模块，安装在所述机架上；
热塑性材料挤出单元和缠丝机构，由运动模块驱动；
打印平台，包括：
树脂液箱，顶面开放，由运动模块驱动；
成型托板，密封所述树脂液箱的顶面，表面分布有多个过液孔，所述过液孔的背面连接有伸入树脂液箱中导液管；
浸渍模块，包括：
树脂供应单元，向所述树脂液箱供应树脂；
覆膜机构，对干燥的连续纤维预制体进行覆膜；
真空辅助单元，为连续纤维预制体上的树脂导流口提供真空吸力；
制造过程如下：
(1)运动模块驱动热塑性材料挤出机构在打印平台上按照预先设计的结构打印芯模，所述芯模设有与过液孔对准的树脂流道；
(2)运动模块驱动缠绕机构和打印平台在已打印芯模上按照设计路径缠绕干燥的连续纤维，获得预制体；
(3)覆膜机构将真空薄膜覆盖在连续纤维预制体上，预制体下部的树脂流道连通过液孔和连续纤维区域，预制体上部的树脂流道连通连续纤维区域，顶部设有树脂导流口；
(4)真空辅助单元的吸管末端在运动模块的控制下与预制体上设置的树脂导流口对准，启动树脂供应单元的油泵，将树脂液泵满树脂液箱，启动真空辅助单元的真空泵，在真空泵辅助下，树脂液从连续纤维预制体底部逐渐上传到顶部，实现整个结构的浸渍，关闭真空泵和树脂供应单元的油泵；
(5)待树脂固化后，从打印平台移走结构件，并使各模块复位，整个工作过程结束。
2.如权利要求1所述的连续纤维复合材料壳体制造方法，其特征在于，步骤(1)中，芯模采用水溶性热塑性材料。
3.如权利要求1所述的连续纤维复合材料壳体制造方法，其特征在于，步骤(2)中，连续纤维缠绕有多层，相邻层的连续纤维之间具有夹角。
4.如权利要求3所述的连续纤维复合材料壳体制造方法，其特征在于，步骤(2)中，夹角角度为5°～45°。
5.如权利要求1所述的连续纤维复合材料壳体制造方法，其特征在于，步骤(1)中，设置的树脂流道设有多根且沿着周向均匀分布。
6.如权利要求1所述的连续纤维复合材料壳体制造方法，其特征在于，步骤(3)中，采用的真空薄膜内侧依次设有导流网和脱模布。
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