本發(fā)明涉及一種層間增強(qiáng)的連續(xù)纖維復(fù)合材料增材制造方法，屬于復(fù)合材料與增材制造的交叉技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為新一代先進(jìn)復(fù)合材料，具備了遠(yuǎn)高于金屬材料的比剛度、比強(qiáng)度，同時還具有熱穩(wěn)定性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等材料特性，因此被廣泛應(yīng)用于空天飛行器、船舶、醫(yī)療等高新技術(shù)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的復(fù)合材料制造技術(shù)主要是由預(yù)制體制造和基體浸潤固化兩個工序構(gòu)成，為實(shí)現(xiàn)基體對于預(yù)制體的良好浸潤，從而有效提高連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制件的高強(qiáng)度、高模量，傳統(tǒng)的復(fù)合材料制造工藝過程較復(fù)雜，尤其是后續(xù)基體浸潤預(yù)制體的成型過程較為繁復(fù)，且耗時長、耗能高。

增材制造技術(shù)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(tǒng)的復(fù)合材料制造技術(shù)，將增材制造技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料的制造，制造過程簡單，材料利用率高，在預(yù)制體織造的同時完成復(fù)合材料的固化成型，無需縮短了復(fù)合材料的制造周期，降低了制造成本。但是針對連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增材制造方法尚不完善，尤其面向復(fù)合材料制件高性能的發(fā)展需求，現(xiàn)有的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造方法尚未解決復(fù)合材料層間強(qiáng)度低的問題。

本發(fā)明提出一種層間增強(qiáng)的連續(xù)纖維復(fù)合材料增材制造方法，通過對打印材料施壓的層間緊實(shí)工藝提高了連續(xù)纖維和基體的結(jié)合性能，在此基礎(chǔ)上，采用層間輔助機(jī)構(gòu)在打印層之間進(jìn)行短纖維鋪放，通過層間鋪放的短纖維實(shí)現(xiàn)層與層之間結(jié)合界面區(qū)的纖維增強(qiáng)，有效提高了復(fù)合材料制件的層間結(jié)合強(qiáng)度，同時還提高了整體制件的纖維體積分?jǐn)?shù)，從而提高連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的綜合性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要是提供一種層間增強(qiáng)的連續(xù)纖維復(fù)合材料增材制造方法，該增材制造方法利用滾壓結(jié)構(gòu)提高連續(xù)纖維與基體的界面結(jié)合性能，同時利用層間短纖維的鋪放實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的層間增強(qiáng)，提高復(fù)合材料層間性能的同時提高材料纖維體積分?jǐn)?shù)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制件的高性能、高效增材制造。

一種層間增強(qiáng)的連續(xù)纖維復(fù)合材料增材制造方法，具體步驟如下：

①建立連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制件的CAD模型；

②根據(jù)CAD模型獲取所述制件的連續(xù)纖維和基體的配比數(shù)據(jù)、模型輪廓數(shù)據(jù)和掃描路徑數(shù)據(jù)；

③選取適用于所述制件的連續(xù)纖維和基體絲材布置于引絲機(jī)構(gòu)上；

④選取的連續(xù)纖維和基體絲材由引絲機(jī)構(gòu)牽引導(dǎo)入打印噴頭，通過熔融擠壓從噴嘴擠出；

⑤根據(jù)所述制件的模型輪廓數(shù)據(jù)和掃描路徑數(shù)據(jù)，通過CAD驅(qū)動控制打印噴頭在工作臺上進(jìn)行連續(xù)纖維復(fù)合材料打印；

⑥通過CAD驅(qū)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(jìn)行指定短纖維的鋪放；

⑦通過CAD驅(qū)動壓實(shí)機(jī)構(gòu)與層間輔助噴頭隨動，沿所述制件的掃描路徑進(jìn)行短纖維層的壓實(shí)；

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(fù)步驟⑤、步驟⑥和步驟⑦，實(shí)現(xiàn)所述制件的增材制造。

2.在打印噴頭進(jìn)行連續(xù)纖維復(fù)合材料打印之前，對工作臺或已完成打印層進(jìn)行預(yù)熱。

3.所述的進(jìn)行連續(xù)纖維復(fù)合材料打印，可采用壓實(shí)機(jī)構(gòu)沿掃描路徑對打印材料進(jìn)行實(shí)時壓實(shí)。

4.所述的連續(xù)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(jī)構(gòu)可對連續(xù)纖維進(jìn)行展纖和預(yù)加熱。

6.所述的壓實(shí)機(jī)構(gòu)可對壓輥進(jìn)行加熱。

7.所述的打印噴頭可進(jìn)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(dǎo)出或螺旋送料方式。

本發(fā)明有益的效果是：

1.設(shè)備自動化水平高，制備過程可控，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(jié)合界面區(qū)的層間強(qiáng)度，同時提高復(fù)合材料制件纖維體積分?jǐn)?shù)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)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(jī)構(gòu)沿掃描路徑對已有打印層進(jìn)行預(yù)熱，不僅提高了打印層與層之間的結(jié)合性能，還可以釋放打印層內(nèi)應(yīng)力，有效避免大型復(fù)合材料制件的翹曲等變形問題。

附圖說明

圖1 為本發(fā)明增材制造方法示意圖；

圖2 為增材制造連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制件示意圖。

附圖標(biāo)記

1—引絲機(jī)構(gòu) 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(shí)機(jī)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。

本發(fā)明層間增強(qiáng)的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增材制造方法具體步驟如下：

A、建立連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制件的CAD模型；

B、根據(jù)CAD模型獲取制件的連續(xù)碳纖維和ABS樹脂的配比數(shù)據(jù)、模型輪廓數(shù)據(jù)和掃描路徑數(shù)據(jù)；

C、選取T300型號1K碳纖維和ABS樹脂絲材布置于引絲機(jī)構(gòu)上；

D、選取的碳纖維和ABS絲材由引絲機(jī)構(gòu)牽引導(dǎo)入打印噴頭，通過熔融擠壓從噴嘴擠出；

E、根據(jù)制件的模型輪廓數(shù)據(jù)和掃描路徑數(shù)據(jù)，通過CAD驅(qū)動控制打印噴頭在工作臺上進(jìn)行碳纖維/ABS復(fù)合材料打印；

F、通過CAD驅(qū)動控制壓實(shí)機(jī)構(gòu)與打印噴頭隨動，沿所述制件的掃描路徑進(jìn)行打印材料的壓實(shí)；

G、通過CAD驅(qū)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(jìn)行碳纖維短切原絲的鋪放；

H、通過CAD驅(qū)動壓實(shí)機(jī)構(gòu)與層間輔助噴頭隨動，沿掃描路徑進(jìn)行短切碳纖維層的壓實(shí)；

I、完成所述制件的一層打印后，工作臺下降一定高度；

J、重復(fù)步驟E、步驟F、步驟G和步驟H，實(shí)現(xiàn)所述制件的增材制造。

上述實(shí)施例是對本發(fā)明的上述內(nèi)容作進(jìn)一步的說明，不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于上述實(shí)施例。凡基于上述內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。