[發(fā)明專利]同軸螺旋結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印系統(tǒng)及加工方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010925004.6
• 申請日: 2020-09-06
• 公開（公告）號: CN111958752A
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周雪莉;劉慶萍;任雷;任露泉;韓志武;宋正義;李冰倩;王振國;吳千;何禹霖;林峰;劉昊;楊新宇
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: B28B1/00
• 分類號: B28B1/00;B28B17/00;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y50/02;B33Y40/10;B33Y70/10;C04B35/80;C04B35/584;C04B35/565;C04B35/10
• 代理公司: 長春市四環(huán)專利事務(wù)所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張冉昕

本發(fā)明涉及增材制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種同軸螺旋結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印系統(tǒng)及加工方法，用于解決工程支撐部件的抗壓穩(wěn)定性及抗彎折的問題。具體該系統(tǒng)部分包括：三維成型制造模塊用以按照兩個不同的預(yù)設(shè)旋轉(zhuǎn)方向輸出基質(zhì)材料和交聯(lián)材料，以使所述基質(zhì)材料和所述交聯(lián)材料構(gòu)造出具有同軸的、且一體成型的第一打印體和第二打印體；以及計(jì)算機(jī)控制模塊和可控氣壓輸出系統(tǒng)。方法部分包括：材料制備，在編程材料進(jìn)給模塊配置基質(zhì)材料和交聯(lián)材料，同軸螺旋結(jié)構(gòu)增材制造以及后處理步驟。可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)增強(qiáng)相不連續(xù)纖維的同軸螺旋排列，進(jìn)而協(xié)同增強(qiáng)材料的抗壓和抗彎特性，提升工程應(yīng)用的適用范圍。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及增材制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種同軸螺旋結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印系統(tǒng)及加工方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)行趨勢下，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、建筑單元系統(tǒng)等基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施，需要配備的支撐結(jié)構(gòu)在其自身領(lǐng)域的關(guān)鍵要求包括：第一、系統(tǒng)構(gòu)件的設(shè)施重點(diǎn)部位在結(jié)構(gòu)和材料選擇上需要具備抗壓性和穩(wěn)定性；第二、系統(tǒng)構(gòu)件需要具有在預(yù)定范圍內(nèi)的抗彎折特性；而既有支撐結(jié)構(gòu)中往往難以有效應(yīng)對上述要求，可總結(jié)為：無法有效應(yīng)對復(fù)雜載荷環(huán)境。

反觀自然界中，生物材料及組織構(gòu)造有效解決了這一矛盾問題，能夠?qū)崿F(xiàn)抗壓、抗彎、抗扭曲、抗剪切的復(fù)雜特性的完美結(jié)合。在此，以靈長類動物骨骼作為生物材料及組織構(gòu)造為例，其特點(diǎn)為具有高的強(qiáng)度、能夠有效地承受自身重量和外部施力，結(jié)合附屬組織后還具備較好的韌性；另外，既有樹木、竹類植物同屬于典型高強(qiáng)高韌生物復(fù)合材料，兩者均是集成高比強(qiáng)度、比剛度與韌性等優(yōu)異性能于一體的天然復(fù)合材料，可作為抗壓及抗彎協(xié)同增效材料設(shè)計(jì)的仿生模本。經(jīng)過既有技術(shù)研究表明，上述典型的生物結(jié)構(gòu)材料具有一些共性：它們都是天然多級復(fù)合材料，高度有序的增強(qiáng)相纖維以一種同軸螺旋結(jié)構(gòu)有效包裹在礦化或有機(jī)物基質(zhì)中，在此可概括為同軸螺旋結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料。

現(xiàn)有技術(shù)中，即使自然界的同軸螺旋結(jié)構(gòu)材料為新型材料的設(shè)計(jì)提供新思路，但受到設(shè)計(jì)手段與制造工藝的限制，導(dǎo)致面向抗壓與抗彎特性協(xié)同優(yōu)化的材料結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與制造技術(shù)長期處于探索階段，不能進(jìn)行實(shí)際的工程應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中缺乏將生物啟發(fā)抗壓抗彎仿生復(fù)合材料工程化的技術(shù)手段，本發(fā)明提供了一種同軸螺旋結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印系統(tǒng)及加工方法。首先是一種同軸螺旋結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印系統(tǒng)，再次，提供一種同軸螺旋結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印的加工方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下：

同軸螺旋結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印系統(tǒng)，其特征在于，包括：

三維成型制造模塊，其用以按照兩個不同的預(yù)設(shè)旋轉(zhuǎn)方向輸出基質(zhì)材料和交聯(lián)材料，以使所述基質(zhì)材料和所述交聯(lián)材料構(gòu)造出具有同軸的、且一體成型的第一打印體和第二打印體；

編程材料進(jìn)給模塊，其用以向所述三維成型制造模塊分別輸送所述基質(zhì)材料和所述交聯(lián)材料；

計(jì)算機(jī)控制模塊，其基于一固化程序用以構(gòu)建可打印的模型，并將所述可打印的模型的結(jié)構(gòu)特征以三維運(yùn)動代碼的方式傳送至所述三維成型制造模塊，以使所述三維成型制造模塊能夠獲得輸出所述第一打印體和所述第二打印體的打印軌跡；

可控氣壓輸出系統(tǒng)，其用以提供輸出氣源以控制在構(gòu)造所述第一打印體和第二打印體時消耗所述基質(zhì)材料或者所述交聯(lián)材料的輸出量。

進(jìn)一步地，所述三維成型制造模塊包括：

料筒部件，其設(shè)置在一打印空間內(nèi)，并相對于該打印空間能夠轉(zhuǎn)動；

同步擠出部，設(shè)置在所述料筒部件的第二端；

所述同步擠出部包括：

第一擠出部；