[發(fā)明專利]一種可編程連續(xù)纖維復(fù)合材料智能結(jié)構(gòu)的4D打印方法

在審

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• 申請日: 2022-05-18
• 公開（公告）號: CN114953428A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 侯章浩;劉鵬;朱曉陽;賀金;蘭紅波
• 申請（專利權(quán)）人: 青島理工大學(xué)
• 主分類號: B29C64/10
• 分類號: B29C64/10;B29C64/295;B29C64/386;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y50/00
• 代理公司: 鄭州意創(chuàng)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 41138
• 代理人: 張江森

本發(fā)明公開了一種可編程連續(xù)纖維復(fù)合材料智能結(jié)構(gòu)的4D打印方法。依據(jù)該4D打印方法設(shè)計(jì)的智能結(jié)構(gòu)包括連續(xù)纖維復(fù)合材料層和微納導(dǎo)電線路，導(dǎo)電線路位于連續(xù)纖維復(fù)合材料層間，連續(xù)纖維復(fù)合材料和導(dǎo)電線路采用4D打印一體化成形。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及4D打印技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可編程連續(xù)纖維復(fù)合材料智能結(jié)構(gòu)的4D打印方法。

背景技術(shù)

近年來，4D打印方法及相關(guān)材料、技術(shù)快速發(fā)展，出現(xiàn)了連續(xù)纖維復(fù)合材料的4D打印方法，這種方法使用連續(xù)纖維嵌入柔性基體的手段，可以使復(fù)合材料具有熱致變形的能力。連續(xù)纖維走向的控制要比短纖維走向的控制更加方便、精確，并且，高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具備高比強(qiáng)度、高比模量、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)及可實(shí)現(xiàn)多功能融合等特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域，使得復(fù)合材料智能結(jié)構(gòu)的4D打印方法不僅具有重要的科學(xué)價(jià)值，更具有重要的國防戰(zhàn)略意義。

但是目前的連續(xù)纖維復(fù)合材料4D打印方法制備的打印件只能產(chǎn)生單一的變形動作，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料多動作及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可編程變形，這使得連續(xù)纖維復(fù)合材料4D打印件難以滿足可編程精細(xì)化復(fù)雜化智能結(jié)構(gòu)制造的需要。如專利CN108943701A公開了一種可控變形的連續(xù)纖維嵌入復(fù)合材料的4D打印方法，通過求解所要變形的曲面的主曲率及主曲率線，進(jìn)而求解纖維軌跡線，按照求解得到的路徑打印由樹脂和連續(xù)纖維組成的材料，將打印件進(jìn)行熱處理，復(fù)合材料就可以變形成預(yù)期的形狀，此發(fā)明雖然實(shí)現(xiàn)了連續(xù)纖維復(fù)合材料4D打印件可展曲面形狀的可控變形，但由于加熱方式限制，只能實(shí)現(xiàn)單一變形動作，無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可編程控制變形。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種可編程連續(xù)纖維復(fù)合材料智能結(jié)構(gòu)的4D打印方法。結(jié)合連續(xù)纖維復(fù)合材料熱致變形特點(diǎn)及微納制造打印，相應(yīng)設(shè)計(jì)可編程連續(xù)纖維復(fù)合材料智能結(jié)構(gòu)的4D打印方法，當(dāng)連續(xù)纖維和基體材料的熱膨脹系數(shù)有較大差異，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的熱致變形，再給連續(xù)纖維復(fù)合材料層間打印導(dǎo)電線路，改變各部分導(dǎo)電線路的通電順序，以及變形部位導(dǎo)電線路的排布，來控制變形體的變形速率及變形順序，實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可編程變形。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種可編程連續(xù)纖維復(fù)合材料智能結(jié)構(gòu)的4D打印方法。所述方法包括以下步驟：

(1)根據(jù)變形體結(jié)構(gòu)尺寸，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，建立連續(xù)纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的三維模型；

(2)依據(jù)變形部位的變形特征，對連續(xù)纖維復(fù)合材料智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行子區(qū)域劃分，為子區(qū)域選擇連續(xù)纖維復(fù)合材料或純基體材料；

(3)依據(jù)變形部位的形狀特征、變形速率和變形角度來設(shè)計(jì)導(dǎo)電線路形狀；

(4)依據(jù)各區(qū)域材料的不同，選擇不同的打印噴頭，設(shè)計(jì)相應(yīng)的工藝參數(shù)，根據(jù)纖維和導(dǎo)電線路走向，規(guī)劃打印路徑，生成與連續(xù)纖維復(fù)合材料、微納制造多功能3D打印機(jī)相匹配的數(shù)據(jù)文件；

(5)將步驟(4)的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入連續(xù)纖維復(fù)合材料、微納制造多功能3D打印機(jī)，依據(jù)各區(qū)域的劃分及材料選擇完成3D打印一體化成形；

(6)依據(jù)變形部位的變形順序，依次給各變形部位通電，產(chǎn)生焦耳熱，由于各部位的加熱順序不同，各部位按照預(yù)定順序完成彎曲變形，導(dǎo)電線路的排布方式和層數(shù)不同，實(shí)現(xiàn)變形部位不同的變形速率和變形角度。

在本申請的一些實(shí)施例中，所述的連續(xù)纖維為碳纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、聚酰亞胺纖維、金屬纖維、SiC纖維、導(dǎo)電高分子纖維、聚對苯撐苯并雙噁唑纖維、硼纖維、石墨纖維、氮化硅纖維、黃麻纖維、苧麻纖維、亞麻纖維、竹纖維中的一種或多種。