[發明專利]一種層間增強的連續纖維復合材料增材制造方法

在審

• 申請號: 201710116114.6
• 申請日: 2017-03-01
• 公開（公告）號: CN106738891A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 單忠德;劉豐;吳曉川;李志坤;張群
• 申請（專利權）人: 機械科學研究總院先進制造技術研究中心
• 主分類號: B29C64/118
• 分類號: B29C64/118;B29C64/188;B33Y10/00
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• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種層間增強的連續纖維復合材料增材制造方法，屬于復合材料與增材制造的交叉技術領域。

背景技術

連續纖維增強復合材料作為新一代先進復合材料，具備了遠高于金屬材料的比剛度、比強度，同時還具有熱穩定性好、可設計性強等材料特性，因此被廣泛應用于空天飛行器、船舶、醫療等高新技術領域。傳統的復合材料制造技術主要是由預制體制造和基體浸潤固化兩個工序構成，為實現基體對于預制體的良好浸潤，從而有效提高連續纖維增強復合材料制件的高強度、高模量，傳統的復合材料制造工藝過程較復雜，尤其是后續基體浸潤預制體的成型過程較為繁復，且耗時長、耗能高。

增材制造技術是將原材料采用逐層累加的制造方式形成最終的制件，相比于傳統的復合材料制造技術，將增材制造技術應用于復合材料的制造，制造過程簡單，材料利用率高，在預制體織造的同時完成復合材料的固化成型，無需縮短了復合材料的制造周期，降低了制造成本。但是針對連續纖維增強復合材料的增材制造方法尚不完善，尤其面向復合材料制件高性能的發展需求，現有的連續纖維增強復合材料增材制造方法尚未解決復合材料層間強度低的問題。

本發明提出一種層間增強的連續纖維復合材料增材制造方法，通過對打印材料施壓的層間緊實工藝提高了連續纖維和基體的結合性能，在此基礎上，采用層間輔助機構在打印層之間進行短纖維鋪放，通過層間鋪放的短纖維實現層與層之間結合界面區的纖維增強，有效提高了復合材料制件的層間結合強度，同時還提高了整體制件的纖維體積分數，從而提高連續纖維增強復合材料的綜合性能。

發明內容

本發明主要是提供一種層間增強的連續纖維復合材料增材制造方法，該增材制造方法利用滾壓結構提高連續纖維與基體的界面結合性能，同時利用層間短纖維的鋪放實現復合材料的層間增強，提高復合材料層間性能的同時提高材料纖維體積分數，從而實現連續纖維增強復合材料制件的高性能、高效增材制造。

一種層間增強的連續纖維復合材料增材制造方法，具體步驟如下：

①建立連續纖維增強復合材料制件的CAD模型；

②根據CAD模型獲取所述制件的連續纖維和基體的配比數據、模型輪廓數據和掃描路徑數據；

③選取適用于所述制件的連續纖維和基體絲材布置于引絲機構上；

④選取的連續纖維和基體絲材由引絲機構牽引導入打印噴頭，通過熔融擠壓從噴嘴擠出；

⑤根據所述制件的模型輪廓數據和掃描路徑數據，通過CAD驅動控制打印噴頭在工作臺上進行連續纖維復合材料打?。?/p>

⑥通過CAD驅動控制層間輔助噴頭與打印噴頭隨動，沿所述制件的掃描路徑進行指定短纖維的鋪放；

⑦通過CAD驅動壓實機構與層間輔助噴頭隨動，沿所述制件的掃描路徑進行短纖維層的壓實；

⑧完成所述制件的一層打印后，所述工作臺下降一定高度；

⑨重復步驟⑤、步驟⑥和步驟⑦，實現所述制件的增材制造。

2.在打印噴頭進行連續纖維復合材料打印之前，對工作臺或已完成打印層進行預熱。

3.所述的進行連續纖維復合材料打印，可采用壓實機構沿掃描路徑對打印材料進行實時壓實。

4.所述的連續纖維和短纖維為碳纖維、芳綸纖維、尼龍纖維、陶瓷纖維、玻璃纖維、碳納米管纖維中的一種或多種。

5.所述的引絲機構可對連續纖維進行展纖和預加熱。

6.所述的壓實機構可對壓輥進行加熱。

7.所述的打印噴頭可進行打印材料和支撐材料的打印。

8.所述的短纖維的鋪放采用氣流導出或螺旋送料方式。

本發明有益的效果是：

1.設備自動化水平高，制備過程可控，可實現連續纖維增強復合材料大型、復雜結構制件的快速制造。

2.通過在打印層與層之間鋪放短纖維，可有效提高結合界面區的層間強度，同時提高復合材料制件纖維體積分數，從而實現連續纖維增強復合材料制件的高性能制造。

3.在新一層打印之前，采用輔助機構沿掃描路徑對已有打印層進行預熱，不僅提高了打印層與層之間的結合性能，還可以釋放打印層內應力，有效避免大型復合材料制件的翹曲等變形問題。

附圖說明

圖1 為本發明增材制造方法示意圖；

圖2 為增材制造連續纖維增強復合材料制件示意圖。

附圖標記

1—引絲機構2—打印噴頭3—工作臺4—打印層5—層間輔助噴頭6—纖維短切原絲7—壓實機構。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明進行詳細的說明。