CN113601876A - 一种连续干纤维增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续干纤维增材制造方法，包括对连续干纤维进行膨化处理，将膨体纱干纤维与干纤维形成併合纤维分别输入至输出端头，经过叠层铺设和刺辊针刺，使干纤维相互纠结而成三维干纤维胚体，再经过沉积或浸渍、热压工艺处理，得到三维纤维预制体，再对其进行机加工和涂装处理，最终得到孔隙率≤1.5％的连续纤维增强树脂基复合材料成品。本发明为快速成型连续干纤维预制体提供了可靠的方法，为三维纤维预制体成型提供了快速、低成本的制造手段，为复合材料增材制造开辟了新的纤维预制体加工方法，为高性能复合材料发展奠定新的技术支撑。

Description

一种连续干纤维增材制造方法
技术领域
本发明涉及增材制造的技术领域，特别是涉及一种连续干纤维增材制造方法。
背景技术
随着纤维复合材料的广泛应用越来越广泛以及3D输出技术的飞速发展，复合材料连续纤维的3D输出正在处于厚积薄发的新阶段，在新产品开发、模具制造及机械加工领域，已出现爆发式增长态势。
采用原位浸渍、丝束共挤出、拖丝挤出、原位合并和预浸料等方法，解决了连续纤维增材制造的一些问题，但同时也带来了一些新的问题，如纤维综合性能降低、高质量树脂或预浸料要求以及输出端头清洗问题等，没有发挥现有纤维资源的优势，为适应增材制造改变了纤维属性，不利于制造出高性能复合材料。
然而现有连续干纤维的增材制造过程中，对热固性树脂复合材料的制造需要用阴阳模具，单独浸渍树脂胶液复合，在加热固化，复合过程分离，不能连续进行，加工成本高，加工效率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种连续干纤维增材制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，使干纤维增材制造快速、低成本，且能够制备出性能优异的复合材料及其产品。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种连续干纤维增材制造方法，包括如下步骤，
步骤一，对连续的干纤维进行膨化处理，得到连续的干纤维膨体纱，并形成膨体纱卷；
步骤二，在无尘空间内，将所述干纤维膨体纱与所述干纤维一一对应输入至输出端头，所述输出端头按设定轨迹连续输出所述干纤维膨体纱与所述干纤维形成的併合纤维，并对所述併合纤维进行叠层平铺，形成纤维成型胚体；
步骤三，每次叠层平铺的所述併合纤维达到设定厚度后，对所述纤维成型胚体的侧面和顶面进行一次刺辊针刺操作，从而成型出三维干纤维胚体；
步骤四，所述三维干纤维胚体经过沉积或浸渍，得到高温复合材料制品，所述高温复合材料制品经过热压工艺处理，得到三维纤维预制体，再对所述三维纤维预制体进行机加工和涂装处理，最终得到孔隙率≤1.5％的连续纤维增强热固性树脂基复合材料成品。
优选的，所述步骤一中的干纤维膨体纱中单丝呈分离状态，所述干纤维膨体纱的丝束呈波浪纹状和或螺旋状，所述干纤维为热固性树脂复合材料。
优选的，所述步骤三中的每次平铺的所述併合纤维到达设定长度后，需要经过剪切装置裁剪一次，所述剪切装置设置于所述输出端头的下端。
优选的，所述步骤三中的设定厚度为8～24层所述併合纤维。
优选的，所述步骤三中的刺辊针刺操作通过三个成型刺辊完成，所述成型刺辊的针刺往复频率为1～5倍的所述输出端头的往复频率。
优选的，所述输出头端与所述成型刺辊设置在同一个支架上，三个所述成型刺辊分别位于所述纤维成型胚体的两侧面和顶面。
优选的，所述成型刺辊的圆柱面上均布有若干个刺针，所述刺针的尖端处设置有倒刺。
优选的，在所述干纤维膨体纱与所述干纤维形成併合纤维的通道上设置有输送装置、张力控制夹持辊和导辊，所述张力控制夹持辊能够分别对所述干纤维膨体纱和所述干纤维的预应力进行调控。
优选的，所述干纤维为玻璃纤维、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维或者芳纶纤维。
优选的，所述步骤四中的高温复合材料制品的热压工艺处理为热压罐和或袋压抽真空的工艺处理。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明为快速成型连续干纤维复合材料提供了可靠的方法，为三维纤维预制体成型提供了快速、低成本的制造手段，为复合材料增材制造开辟了新的纤维预制体加工方法，为高性能复合材料发展奠定了新的技术支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明中三维纤维预制体的制造结构示意图一；
图2为本发明中三维纤维预制体的制造结构示意图二；
图3为本发明中三维纤维预制体的制造结构示意图三；
图4为本发明中干纤维膨体纱的制造结构示意图；
图5为本发明中刺针的结构示意图；
其中：50-倒刺，100-刺针，200-平压刺辊，300-左刺辊，310-右刺辊，400-纤维成型胚体，500-干纤维膨体纱，600-膨体纱卷装，700-干纤维卷装，800-输出端头，900-导辊，910-剪切装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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付出创造性劳动的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。
本发明的目的是提供一种连续干纤维增材制造方法，以解决现有技术存在的问题，使干纤维增材制造快速、低成本，且能够制备出性能优异的复合材料及其产品。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图5所示：本实施例提供了一种连续干纤维增材制造方法，包括如下步骤，
步骤一，可利用刺辊针刺操作对连续的干纤维(单丝纠缠束状体)进行膨化处理，可破坏纤维间的胶黏剂膜，得到连续的干纤维膨体纱500，并形成膨体纱卷；干纤维膨体纱500中单丝呈分离状态，干纤维膨体纱500的丝束呈波浪纹状和或螺旋状，干纤维为热固性树脂复合材料，是由直径为4μm～9μm的单根纤维组成的丝束，将未作膨化处理的干纤维和干纤维膨体纱500分别制成卷装。膨体纱卷装600和干纤维卷装700对称转动设置在无尘箱体外两侧的轴架上。在干纤维膨体纱500与干纤维形成併合纤维的通道上设置有输送装置、张力控制夹持辊和导辊900，张力控制夹持辊能够分别对干纤维膨体纱500和干纤维的预应力进行调控。
步骤二，在无尘空间内，将干纤维膨体纱500与干纤维一一对应(等宽度)输入至输出端头800，输出端头800按设定轨迹连续输出干纤维膨体纱500与干纤维形成的併合纤维，并对併合纤维进行叠层平铺，形成纤维成型胚体400。
步骤三，每次叠层平铺的併合纤维达到设定厚度后，对纤维成型胚体400的侧面和顶面进行一次刺辊针刺操作，从而成型出三维干纤维胚体；每次平铺的併合纤维到达设定长度后，需要经过剪切装置910裁剪一次，剪切装置910设置于输出端头800的下端。设定厚度为8～24层併合纤维。刺辊针刺操作通过三个成型刺辊完成，成型刺辊的针刺往复频率为1～5倍的输出端头800的往复频率。输出头端与成型刺辊设置在同一个支架上，三个成型刺辊分别位于纤维成型胚体400的两侧面和顶面，分别为左刺辊300、右刺辊310和平压刺辊200。两侧的成型刺辊可同时滚动，也可单独滚动，另一侧的成型刺辊可以抬起设置。成型刺辊的圆柱面上均布有若干个刺针100，刺针100的尖端处设置有倒刺50，针刺作用会使部分干纤维单丝沿刺针100深度方向相互纠缠，从而成型出一定厚度的三维干纤维胚体。
步骤四，三维干纤维胚体经过沉积或浸渍，得到高温复合材料制品，高温复合材料制品经过热压工艺处理，得到三维纤维预制体，再对三维纤维预制体进行机加工和涂装处理，最终得到孔隙率≤1.5％的连续纤维增强树脂基复合材料成品。
步骤四中的高温复合材料制品的热压工艺处理为热压罐和或袋压抽真空的工艺处理。
其中，干纤维为玻璃纤维、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维或者芳纶纤维。当原料为12K连续干碳纤维时，当併合纤维铺层操作达到叠层平铺的设计厚度20mm时，进行一次刺辊针刺操作，针刺的往复频率＝输出端头800的往复频率。当原料为6K连续干碳纤维时，当併合纤维铺层操作达到叠层平铺的设计厚度30mm时，进行一次刺辊针刺操作，针刺的往复频率＝2倍的输出端头800的往复频率。当原料为12K连续干碳纤维时，当併合纤维铺层操作达到叠层平铺的设计厚度40mm时，进行一次刺辊针刺操作，针刺的往复频率＝2倍的输出端头800的往复频率。当原料为2400tex连续干玻璃纤维时，当併合纤维铺层操作达到叠层平铺的设计厚度20mm时，进行一次刺辊针刺操作，针刺的往复频率＝2倍的输出端头800的往复频率。当原料为24K连续干碳纤维时，当併合纤维铺层操作达到叠层平铺的设计厚度60mm时，进行一次刺辊针刺操作，针刺的往复频率＝2倍的输出端头800的往复频率。当原料为12K干碳纤维和2400tex玻纤干纤维的混合纤维(两种纤维层间混合)时，当併合纤维铺层操作达到叠层平铺的设计厚度100mm时，进行一次刺辊针刺操作，针刺的往复频率＝2倍的输出端头800的往复频率。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种连续干纤维增材制造方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一，对连续的干纤维进行膨化处理，得到连续的干纤维膨体纱，并形成膨体纱卷；
步骤二，在无尘空间内，将所述干纤维膨体纱与所述干纤维一一对应输入至输出端头，所述输出端头按设定轨迹连续输出所述干纤维膨体纱与所述干纤维形成的併合纤维，并对所述併合纤维进行叠层平铺，形成纤维成型胚体；
步骤三，每次叠层平铺的所述併合纤维达到设定厚度后，对所述纤维成型胚体的侧面和顶面进行一次刺辊针刺操作，从而成型出三维干纤维胚体；
步骤四，所述三维干纤维胚体经过沉积或浸渍，得到高温复合材料制品，所述高温复合材料制品经过热压工艺处理，得到三维纤维预制体，再对所述三维纤维预制体进行机加工和涂装处理，最终得到孔隙率≤1.5％的连续纤维增强树脂基复合材料成品。
2.根据权利要求1所述的连续干纤维增材制造方法，其特征在于：所述步骤一中的干纤维膨体纱中单丝呈分离状态，所述干纤维膨体纱的丝束呈波浪纹状和或螺旋状，所述干纤维为热固性树脂复合材料。
3.根据权利要求1所述的连续干纤维增材制造方法，其特征在于：所述步骤三中的每次平铺的所述併合纤维到达设定长度后，需要经过剪切装置裁剪一次，所述剪切装置设置于所述输出端头的下端。
4.根据权利要求1所述的连续干纤维增材制造方法，其特征在于：所述步骤三中的设定厚度为8～24层所述併合纤维。
5.根据权利要求1所述的连续干纤维增材制造方法，其特征在于：所述步骤三中的刺辊针刺操作通过三个成型刺辊完成，所述成型刺辊的针刺往复频率为1～5倍的所述输出端头的往复频率。
6.根据权利要求5所述的连续干纤维增材制造方法，其特征在于：所述输出头端与所述成型刺辊设置在同一个支架上，三个所述成型刺辊分别位于所述纤维成型胚体的两侧面和顶面。
7.根据权利要求5所述的连续干纤维增材制造方法，其特征在于：所述成型刺辊的圆柱面上均布有若干个刺针，所述刺针的尖端处设置有倒刺。
8.根据权利要求1所述的连续干纤维增材制造方法，其特征在于：在所述干纤维膨体纱与所述干纤维形成併合纤维的通道上设置有输送装置、张力控制夹持辊和导辊，所述张力控制夹持辊能够分别对所述干纤维膨体纱和所述干纤维的预应力进行调控。
9.根据权利要求1所述的连续干纤维增材制造方法，其特征在于：所述干纤维为玻璃纤维、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维或者芳纶纤维。
10.根据权利要求1所述的连续干纤维增材制造方法，其特征在于：所述步骤四中的高温复合材料制品的热压工艺处理为热压罐和或袋压抽真空的工艺处理。
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