[發(fā)明專利]負泊松比蜂窩型短纖維復(fù)合高強材料的3D打印方法及應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911243364.1
• 申請日: 2019-12-06
• 公開（公告）號: CN112277310A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張雪霞;嚴鵬飛;嚴彪
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟大學
• 主分類號: B29C64/112
• 分類號: B29C64/112;B29C64/393;B33Y10/00;B33Y50/02;B33Y80/00;G10K11/162
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 楊元焱

本發(fā)明涉及一種負泊松比?蜂窩型短纖維復(fù)合高強材料的3D打印方法，包括以下步驟：基層結(jié)構(gòu)設(shè)置過程，在打印模型中設(shè)置每層中的內(nèi)折六邊形負泊松比區(qū)域和蜂窩狀結(jié)構(gòu)區(qū)域，其中內(nèi)折六邊形負泊松比區(qū)域開設(shè)有呈行排列的內(nèi)折六邊形鏤空重復(fù)單元，且其相鄰的兩個內(nèi)折邊間的夾角α'＝235?252°，其中蜂窩狀結(jié)構(gòu)區(qū)域開設(shè)有呈行排列的六邊形鏤空重復(fù)單元，且其相鄰兩條側(cè)邊的夾角α＝108?125°；打印機設(shè)置過程；打印選材過程，打印材料選材為玻纖或碳纖高分子打印絲；打印過程。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將負泊松比?蜂窩型兩種結(jié)構(gòu)復(fù)合到一起，并將玻纖或碳纖等短纖維復(fù)合高強材料應(yīng)用于蜂窩結(jié)構(gòu)材料的性能改進中，顯著的提升了現(xiàn)有蜂窩材料的性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及3D打印技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種負泊松比蜂窩型短纖維復(fù)合高強材料的3D打印方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)

蜂窩結(jié)構(gòu)材料具有許多優(yōu)越的性能，從力學角度分析，封閉的六角等邊蜂窩結(jié)構(gòu)相比其他結(jié)構(gòu)，能以最少的材料獲得最好的力學性能，而蜂窩結(jié)構(gòu)板受垂直于板面的載荷時，它的彎曲剛度與同材料、同厚度的實心板相差無幾，甚至更高，但其重量卻輕70～90％，而且不易變形、不易斷裂、并具有減震、隔音、隔熱等眾多優(yōu)點集一身。

以上兩種材料在當前制備過程中均需要通過模壓等簡練制備方法來生產(chǎn)，由于蜂窩空隙的結(jié)構(gòu)特殊性，使得本類材料的生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品良率低，同時因為模壓過程中需要設(shè)計大型的專用模具，但對于該種材料在開模過程中難度較大。而且蜂窩結(jié)構(gòu)材料在實際的工程應(yīng)用中還存在著剛性不足的缺陷，但要改善該種缺陷就需要在現(xiàn)有的蜂窩結(jié)構(gòu)材料中加入新的剛性結(jié)構(gòu)單元，新結(jié)構(gòu)的開發(fā)和生產(chǎn)受到模具設(shè)計的限制而無法實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種負泊松比蜂窩型短纖維復(fù)合高強材料的3D打印方法及應(yīng)用，打破了現(xiàn)有技術(shù)中模具設(shè)計對于蜂窩結(jié)構(gòu)材料進一步結(jié)構(gòu)改進的限制，在本發(fā)明中直接將玻纖或碳纖等短纖維復(fù)合高強材料應(yīng)用于蜂窩結(jié)構(gòu)材料的性能改進中，構(gòu)成了“負泊松比-蜂窩型”復(fù)合吸能結(jié)構(gòu)，該復(fù)合結(jié)構(gòu)為內(nèi)折六邊形負泊松比結(jié)構(gòu)與蜂窩型結(jié)構(gòu)的層狀方式復(fù)合，系平面二維拉伸后得到的三維結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要包含4大特征：具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)區(qū)域、內(nèi)折六邊形負泊松比結(jié)構(gòu)區(qū)域、“負泊松比-蜂窩”復(fù)合結(jié)構(gòu)界面區(qū)域以及復(fù)合方式，并取得了通過工藝方法的設(shè)計實現(xiàn)了顯著的性能提升。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

本發(fā)明中負泊松比-蜂窩型短纖維復(fù)合高強材料的3D打印方法，包括以下步驟：

基層結(jié)構(gòu)設(shè)置過程，在打印模型中設(shè)置每層中的內(nèi)折六邊形負泊松比區(qū)域和蜂窩狀結(jié)構(gòu)區(qū)域，

其中內(nèi)折六邊形負泊松比區(qū)域開設(shè)有呈行排列的內(nèi)折六邊形鏤空重復(fù)單元，每個內(nèi)折六邊形鏤空單元均為軸對稱結(jié)構(gòu)，且其相鄰的兩個內(nèi)折邊間的夾角α'＝235-252°。

其中蜂窩狀結(jié)構(gòu)區(qū)域開設(shè)有呈行排列的六邊形鏤空重復(fù)單元，每個六邊形鏤空單元均為軸對稱結(jié)構(gòu)，且其相鄰兩條側(cè)邊的夾角α＝108-125°。

打印機設(shè)置過程，打印層厚設(shè)置為0.1-0.4mm，噴嘴孔徑設(shè)置為0.4-0.8mm，打印溫度為240-260℃，熱床溫度為60-80℃；

打印選材過程，打印材料選材為玻纖或碳纖高分子打印絲；α的稍小角度設(shè)計以及尼龍或PC的選材是本結(jié)構(gòu)的高強度設(shè)計基礎(chǔ)，稍小的α角使得整體結(jié)構(gòu)的剛度增加，但過小會影響其緩沖行程及吸能性能，在本發(fā)明中選取α＝108-125°，以此保證在具有充足吸能性能的前提下盡可能的增加其耐沖擊強度性能。

打印過程，以基層材料為XY平面，并以Z向進行逐層打印，獲得負泊松比-蜂窩型短纖維復(fù)合高強材料。

進一步地，所述的基層結(jié)構(gòu)設(shè)置過程中，內(nèi)折六邊形負泊松比區(qū)域包括2行或多行內(nèi)折六邊形鏤空重復(fù)單元；