CN111069603A - 一种选区熔化成形纤维增强复合材料的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种选区熔化成形纤维增强复合材料的增材制造方法，通过确定纤维填充部位；生成Gcode文件；选区激光成形设备工作；逐层打印；完成纤维增强复合材料打印，直至最终打印结束。本发明通过有限元仿真模拟，根据零件的特征准确选择区域填充连续纤维或短纤维，实现打印纤维增强复合材料。基于选区熔化成形技术，打印过程便于控制，成形方式多样，制备多种基体材料多种纤维材料组合以及连续纤维和短纤维共同增强的复合材料零件，可选择的材料范围广。整个打印过程处于真空或惰性气体环境中，防止打印过程发生氧化。基于选择熔化成形技术，制造周期短，生产工序简单，能大幅度的降低制造复合材料的制备周期和成本。

Description

一种选区熔化成形纤维增强复合材料的增材制造方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种选区熔化成形纤维增强复合材料的增材制造方法。
背景技术
增材制造技术通过材料逐层累积的方式直接制造实体零件，能够通过计算机辅助设计，将设计好的实体三维模型直接打印成形，相对于传统技术更加的方便高效。选区激光熔化技术是增材制造领域的重要技术之一，是一种利用高能量激光束将切片后的三维模型各层的基体粉末熔化成形，由下而上逐层打印实体零件的一种增材制造方法。
由于纤维增强复合材料具有高的比强度、比强度及良好的耐高温性、耐磨性、抗疲劳性，纤维增强复合材料技术广泛应用于航空航天、汽车工业等领域。传统的制备方法繁琐，需要大量磨具的支撑，生产工序复杂，制备的周期长，制造成本高。
目前纤维增强复合材料的增材制造技术还不是很成熟，研究较少，处于研发阶段。现有的连续纤维增强复合材料打印的方法有连续纤维、短纤维和基体材料混合打印或者是纤维层间增强打印，不能够实现纤维部分填充增强打印以及连续纤维与短纤维共同增强复合材料的打印。
发明内容
本发明的目的是提供一种选区熔化成形纤维增强复合材料的增材制造方法，根据零件特征，可准确选择部分区域填充连续纤维及短纤维，同时利用辊轮提高纤维和基体间的结合性能，从而高性能、高效打印纤维增强复合材料。
本发明的目的是这样实现的。一种选区熔化成形纤维增强复合材料的增材制造装置，包括升降台以及升降台上安装有基板，基板的一端装有步进电机，基板的两侧设置有滑轨，支座垂直安装于滑轨上，辊轮通过滚轴与支座连接；基板上方设置有桁架，桁架下方装有三角旋转轴，三角旋转轴分别连接有激光束座、第一喷头座和第二喷头座，第一喷头座安装有喷嘴朝下的短纤维喷头，第二喷头座安装有喷嘴朝下的连续纤维喷头，连续纤维喷头的上方连接有引丝机构。
进一步，所述三角旋转轴上分别连接的激光束座、第一喷头座和第二喷头座的中线相互间夹角为120°。
一种选区熔化成形纤维增强复合材料的增材制造方法，其步骤如下：
1）确定纤维填充部位：对所要打印的零件模型进行有限元仿真模拟，根据零件特征分析确定需要填充连续纤维和短纤维增强性能的部位；
2）生成Gcode文件：建立零件的CAD模型，利用切片软件进行切片处理，确定每一层打印的层厚以及基体层3粉末和纤维的打印路径，生成Gcode代码；
3）选区激光成形设备工作：设备读取生成的Gcode文件，三角旋转轴分别通过连接轴与激光束、连续纤维喷头和短纤维喷头连接；根据Gcode代码通过设备内部指令可使三角旋转轴在顺时针和逆时针方向每次旋转120°，实现激光束、连续纤维喷头和短纤维喷头间的来回切换；每层基体层粉末和纤维打印结束后，Gcode代码输入给步进电机工作命令，步进电机控制支座在滑轨上自由横向运动，滚轴所连接的辊轮从而也横向滚动；
4）逐层打印：确定打印路径后，在基板上预铺一层基体层粉末，输入参数使激光束熔化基体层粉末和上一层已成形的少量基体，使得层与层间冶金良好；当打印到连续纤维部位时，三角旋转轴旋转120°，随之切换至连续纤维喷头，连续纤维在连续纤维喷头内加热熔化后挤出；当铺放短纤维时，三角旋转轴再旋转120°，短纤维喷头工作；连续纤维和短纤维填充铺放后；支座通过滑轨在基板上横向运动，带动辊轮横向滚动，对连续纤维和短纤维进行压实处理，使其与基体层紧密连接；
5）完成纤维增强复合材料打印：完成一层后，升降台下降一个层厚，支座上升一个层厚，重复步骤4），直至最终打印结束。
进一步，所述基体层材料为金属材料或陶瓷材料。
进一步，所述金属材料为模具钢、不锈钢、铝合金、钛合金、钴铬合金或高温合金。
进一步，所述陶瓷材料为氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷或玻璃陶瓷。
进一步，所述连续纤维或短纤维包括碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、陶瓷纤维、碳化硅纤维、金属纤维或芳纶纤维。
进一步，所述连续纤维或短纤维的熔点应高于基体层粉末的熔点，且连续纤维或短纤维的直径应小于基体层的层厚，激光束的输入功率应保证能熔化基体层粉末。
进一步，所述复合材料打印的保护环境是真空或惰性气体环境。
进一步，所述惰性气体为氩气或氮气。
本发明通过有限元仿真模拟，根据零件的特征，可准确选择区域填充连续纤维或短纤维，实现打印纤维增强复合材料。基于选区熔化成形技术，打印过程便于控制，成形方式多样，可以制备多种基体材料多种纤维材料组合，以及连续纤维和短纤维共同增强的复合材料零件，可选择的材料范围广。整个打印过程处于真空或惰性气体环境中，防止打印过程发生氧化。基于选择熔化成形技术，制造周期短，不需要大量模具的支撑，生产工序简单，能大幅度的降低制造复合材料的制备周期和成本。
附图说明
图1为本发明增材制造方法的流程图；
图2为本发明中增材制造设备的结构示意图；
图3为图2中A-A向三角旋转轴的结构示意图；
图4为图2中B-B向俯视图；
图5为本发明实施例中连续纤维和短纤维网格铺放的结构示意图。
图中：1-升降台，2-基板，3-基体层，4-连续纤维层，5-连续纤维喷头，6-引丝机构，7-三角旋转轴，8-第一喷头座，9-桁架，10-激光束座，11-辊轮，12-第二喷头座，13-短纤维喷头，14-连续纤维，15-短纤维，16-滚轴，17-支座，18-滑轨，19-步进电机。
具体实施方式
本发明涉及一种选区熔化成形连续纤维增强复合材料的增材制造方法，以下结合图1至图5，对本发明的技术方案进行详细的描述，所描述的案例仅是本发明的一种实施案例，并不代表全部实施案例。
如图5所示，所打印的为连续纤维和短纤维网格铺放纤维增强块体零件，基体层粉末材料为模具钢、不锈钢、铝合金、钛合金、钴铬合金、高温合金、氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷或玻璃陶瓷中的一种；连续纤维和短纤维材料为碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、陶瓷纤维、碳化硅纤维、金属纤维或芳纶纤维中的一种或两种，连续纤维和短纤维材料可相同也可以不同。
如图2所示，一种选区熔化成形连续纤维增强复合材料的增材制造装置，包括升降台1以及升降台1上安装有基板2，基板2上装有步进电机19。如图4所示，在基板2的两侧设置有滑轨18，支座17垂直安装于滑轨18上，辊轮11通过滚轴16与支座17连接，步进电机19控制支座17的移动；基板2上方设置有桁架9，桁架9下方装有三角旋转轴7，三角旋转轴7分别连接有激光束座10、第一喷头座8和第二喷头座12，第一喷头座8安装有喷嘴朝下的短纤维喷头13，第二喷头座12安装有喷嘴朝下的连续纤维喷头5，连续纤维喷头5的上方连接有引丝机构6。如图3所示,三角旋转轴7上分别连接的激光束座10、第一喷头座8和第二喷头座12的中线相互间夹角β为120°。图1为本发明增材制造方法的流程图，打印具体实施的步骤如下：
1）确定纤维填充部位101：如图5所示，对所要打印的纤维增强块体零件模型进行有限元仿真模拟，根据块体零件特征分析确定连续纤维14和短纤维15铺放方式为网格铺放。
2）生成Gcode文件102：建立块体零件的CAD模型，利用切片软件进行切片处理，确定每一层打印的层厚为0.05-0.2mm，基体层3粉末和纤维的打印路径为X轴同向打印，生成Gcode代码。
3）选区激光成形设备工作103：设备读取生成的Gcode文件，根据Gcode代码通过设备内部指令可使三角旋转轴7在顺时针和逆时针方向每次旋转120度，实现激光束10、连续纤维喷头5和短纤维喷头13间的来回切换；每层基体层3粉末和纤维打印结束后，Gcode代码输入给步进电机19一个工作命令，步进电机19控制支座17在滑轨18上自由横向运动，滚轴16所连接的辊轮11从而也横向滚动；整个打印环境为真空或惰性气体，防止打印过程中零件发生氧化。
4）逐层打印104：确定打印路径后，在基板2上预铺一层基体层3粉末，输入激光参数使激光束10熔化基体层3粉末和接触的少量上层基体，使得层与层间冶金良好。根据打印路径，打印纤维增强层时，先打印连续纤维14，三角旋转轴7旋转120°，切换至连续纤维喷头5，连续纤维喷头5沿X向移动打印，连续纤维14在连续纤维喷头5内加热熔化后挤出；然后铺放短纤维15，三角旋转轴7再旋转120度，短纤维喷头13工作，沿X向进行铺放短纤维15；最后在基板上铺满基体层3粉末，三角旋转轴7继续旋转120°，激光束10工作完成该层基体部分的打印；连续纤维14、短纤维15和基体层3填充打印结束；通过支座17在滑轨18上的横向运动，使滚轴16连接的辊轮11滚动，对基体层3上的连续纤维14和短纤维15进行压实处理，使其与基体层3紧密连接。
5）完成纤维增强复合材料打印105：完成每层后，升降台1下降一个层厚，支座17上升一个层厚，重复步骤4），完成基体层和纤维增强层的交替打印，直至最终打印结束。
上述实施例仅是对本发明的进一步解释，本发明并不局限于此。本技术领域内的技术人员在本发明基础上所做出的变化改型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种选区熔化成形纤维增强复合材料的增材制造装置，包括升降台以及升降台上安装有基板，其特征在于，基板的一端装有步进电机，基板的两侧设置有滑轨，支座垂直安装于滑轨上，辊轮通过滚轴与支座连接；基板上方设置有桁架，桁架下方装有三角旋转轴，三角旋转轴分别连接有激光束座、第一喷头座和第二喷头座，第一喷头座安装有喷嘴朝下的短纤维喷头，第二喷头座安装有喷嘴朝下的连续纤维喷头，连续纤维喷头的上方连接有引丝机构。
2.根据权利要求1所述的选区熔化成形纤维增强复合材料的增材制造装置，其特征在于，所述三角旋转轴上分别连接的激光束座、第一喷头座和第二喷头座的中线相互间夹角为120°。
3.一种按照权利要求1所述的制造装置的增材制造方法，其特征在于，其步骤如下：
1）确定纤维填充部位：对所要打印的零件模型进行有限元仿真模拟，根据零件特征分析确定需要填充连续纤维和短纤维增强性能的部位；
2）生成Gcode文件：建立零件的CAD模型，利用切片软件进行切片处理，确定每一层打印的层厚以及基体层3粉末和纤维的打印路径，生成Gcode代码；
3）选区激光成形设备工作：设备读取生成的Gcode文件，三角旋转轴分别通过连接轴与激光束、连续纤维喷头和短纤维喷头连接；根据Gcode代码通过设备内部指令可使三角旋转轴在顺时针和逆时针方向每次旋转120°，实现激光束、连续纤维喷头和短纤维喷头间的来回切换；每层基体层粉末和纤维打印结束后，Gcode代码输入给步进电机工作命令，步进电机控制支座在滑轨上自由横向运动，滚轴所连接的辊轮从而也横向滚动；
4）逐层打印：确定打印路径后，在基板上预铺一层基体层粉末，输入参数使激光束熔化基体层粉末和上一层已成形的少量基体，使得层与层间冶金良好；当打印到连续纤维部位时，三角旋转轴旋转120°，随之切换至连续纤维喷头，连续纤维在连续纤维喷头内加热熔化后挤出；当铺放短纤维时，三角旋转轴再旋转120°，短纤维喷头工作；连续纤维和短纤维填充铺放后；支座通过滑轨在基板上横向运动，带动辊轮横向滚动，对连续纤维和短纤维进行压实处理，使其与基体层紧密连接；
5）完成纤维增强复合材料打印：完成一层后，升降台下降一个层厚，支座上升一个层厚，重复步骤4），直至最终打印结束。
4.根据权利要求3所述的增材制造方法，其特征在于，所述基体层材料为金属材料或陶瓷材料。
5.根据权利要求4所述的增材制造方法，其特征在于，所述金属材料为模具钢、不锈钢、铝合金、钛合金、钴铬合金或高温合金。
6.根据权利要求4所述的增材制造方法，其特征在于，所述陶瓷材料为氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷或玻璃陶瓷。
7.根据权利要求3所述的增材制造方法，其特征在于，所述连续纤维或短纤维包括碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、陶瓷纤维、碳化硅纤维、金属纤维或芳纶纤维。
8.根据权利要求3所述的增材制造方法，其特征在于，所述连续纤维或短纤维的熔点应高于基体层粉末的熔点，且连续纤维或短纤维的直径应小于基体层的层厚，激光束的输入功率应保证能熔化基体层粉末。
9.根据权利要求3所述的增材制造方法，其特征在于，所述复合材料打印的保护环境是真空或惰性气体环境。
10.根据权利要求9所述的增材制造方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气或氮气。
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