[發明專利]一種層間微細棒增強連續纖維增強復合材料增材制造方法

在審

• 申請號: 201811318408.8
• 申請日: 2018-11-07
• 公開（公告）號: CN109291461A
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發明（設計）人: 田小永;尚俊凡;朱偉軍;羅盟;李滌塵
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B29C70/30
• 分類號: B29C70/30;B29C70/10
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種層間微細棒增強連續纖維增強復合材料增材制造方法，先完成復合材料的制備和成型的一體化過程，得到目標制件；再由纖維浸漬樹脂，經微徑桿拉擠工藝成型，經過裁剪制得微細棒；然后將微細棒材裝載入射釘槍內，射入已預先經過環境加熱軟化過的目標制件中；如果目標制件為厚度小于3cm的板類零件，則只需要完成一次微細棒的嵌入；否則需要完成一次以上微細棒的嵌入，直至目標制件厚度達到目標要求；最后將植入過微細棒的目標制件放入恒溫腔室內進行加熱后處理，以利于目標制件與微細棒形成較好的結合界面；本發明實現了各向性能均衡或可控的高性能連續纖維增強復合材料擠出成型構件的快速制造。

技術領域

本發明屬于先進制造技術領域，具體涉及一種層間微細棒增強連續纖維增強復合材料增材制造方法。

背景技術

連續纖維增強復合材料是航空航天、國防軍工等領域的重要支撐，其使用量成為衡量相關領域先進程度的重要指標，其制造技術是關鍵。目前，按照結構劃分，連續纖維增強復合材料的制造技術包括層壓/纏繞工藝和編織工藝。其中，層壓/纏繞工藝較為簡單，適用范圍廣，但存在材料層間結合強度低、性能各向異性等問題。編織工藝利用編織方法制作三維分布的纖維預制體，再利用熱壓等方法浸漬樹脂得到復合材料，可制造材料性能均衡的構件，但纖維編織工序復雜，且難以實現復雜結構的制造。

近年來，研究人員發明了連續纖維復合材料的增材制造方法(田小永等.中國專利ZL2014103256503，2014年；單忠德等.中國專利CN106515041A，2017年；李隆球等.中國專利CN106493946A，2017年；中國專利CN107127972A，2017年)，解決了傳統連續纖維復合材料制造中需要模具、工序復雜、復雜結構難以實現等難題。但是，依然存在材料層間結合強度、性能各向異性等問題，限制了復合材料面內力學優勢的發揮，特別是航空航天領域，對復合材料的三維增強技術的需求尤為迫切。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種層間微細棒增強連續纖維增強復合材料增材制造方法，可在無模具條件下，實現復雜結構的高性能連續纖維增強復合材料構件打印成型的基礎上，實現了對于復合材料的層間增強。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種層間微細棒增強連續纖維增強復合材料增材制造方法，包括以下步驟：

a)復合材料的制造：利用連續纖維增強復合材料擠出成型的增材制造工藝，完成復合材料的制備和成型的一體化過程，得到目標制件1，目標制件1的具體參數由建模模型決定；

b)微細棒的制備：由纖維浸漬樹脂，經微徑桿拉擠工藝成型，即在牽引裝置的作用下經過模具加溫預浸并在烘道中冷卻固化后收卷，經過裁剪制得微細棒3；

所使用的纖維和樹脂種類由實際應用的場合和目標制件1的材料種類來決定，纖維包括碳纖維和芳綸纖維；

c)微細棒的嵌入：將微細棒3材裝載入射釘槍2內，利用高壓氣流的作用，將微細棒3射入已預先經過環境加熱軟化過的目標制件1中，植入的密度和深度由實際應用需求決定；

d)復合材料的循環增強：如果目標制件1為厚度小于3cm的板類零件，則只需要完成一次微細棒的嵌入；如果目標制件1是厚度大于3cm的體狀零件，由于微細棒3的長度受限，需要打印厚度小于等于3cm時就嵌入一次微細棒3，再繼續打印小于等于3cm的厚度后繼續嵌入微細棒3，具體的循環打印厚度由實際操作中所使用的微細棒3的長度決定，直至目標制件1厚度達到目標要求；

e)層間增強制件的后處理：將植入過微細棒3的目標制件1放入恒溫腔室內進行加熱后處理，加熱溫度維持于基體樹脂的玻璃化溫度以上5分鐘以上，以利于目標制件1與微細棒3形成較好的結合界面。