[发明专利]纤维增强复合材料增强3D打印结构

说明书

技术领域

本发明属于土木工程技术领域和新材料成型结构技术领域，具体涉及一种纤维增强复合材料增强3D打印结构。

背景技术

3D打印是近年来迅猛发展的一种快速成型技术，其应用范围包括航空航天、制造业、生物医学、食品、服饰、艺术创作、建筑模型等领域。随着既有3D打印技术的改进和新型3D打印技术的研发，大型3D打印设备接连问世，促使大尺寸制品的打印成为可能，并带来打印成本的迅速降低。因此，3D打印建筑物应运而生。美国南加州大学的Khoshnevis教授研究能够打印混凝土房屋的打印机，该打印机喷出胶体状混凝土实现层状打印。英国拉夫堡大学Buswell等人开展3D Concrete Printing项目研究，同样利用挤出工艺进行混凝土建筑物打印。意大利发明家Dini发明了大型3D打印机D-shape，利用粉末粘结技术打印非线性建筑。中国马义和等人利用改性水泥挤出技术在上海建造了一批3D打印建筑物。但3D打印建筑物至今仍处于展示阶段，其各向异性的结构特性成为限制其安全使用的关键因素。

3D打印技术以数字化三维模型为基础，通过逐层打印、分层叠加的方式构造三维实体。根据具体打印方式不同分为挤出堆积成型、三维粉末粘结成型(3DP)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)、立体光固化成型(SLA)等。但所有打印方式均是基于分层打印、堆叠成型的原理。因此3D打印制品均具有明显的分层纹路，其层间强度相比于层内强度降低较多，具有显著的各向异性特性。因此如何增强3D打印结构的强度，从而提高整体建筑物的安全性成为当务之急。

目前3D打印制品的常用增强技术包括浸蜡、浸胶等手段。这些技术能够在一定程度上增强3D打印制品的强度，满足其运输及日常使用过程中不破损的基本要求，但对于建筑结构构件等承力构件的强度要求尚不能满足。因此必须开发更加有效的增强技术和方法。

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，即FRP)是由玻璃纤维或碳纤维等高性能纤维与树脂基体混合经过一定的加工工艺复合而成的非金属材料。它具有轻质、高强、施工成型方便、耐腐蚀等显著优点。本发明提出一种采用纤维增强复合材料进行3D打印结构增强的新技术，即在3D打印结构外部采用FRP整体包裹或局部粘贴等手段，从而有选择地、高效地、经济地增强3D打印结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、施工快捷、多功能增强、效果显著的一种纤维增强复合材料增强3D打印结构。

根据本发明第一方面实施例的纤维增强复合材料增强3D打印结构，该纤维增强复合材料增强3D打印结构为纤维增强复合材料增强3D打印梁，包括：3D打印梁；FRP梁外覆层，所述FPR梁外覆层位于所述3D打印梁的外表面，所述FPR梁外覆层包括：FRP梁底板、FRP梁侧板以及FRP梁箍中的一种或多种的组合。

另外，根据本发明上述实施例的纤维增强复合材料增强3D打印结构，还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述3D打印梁通过基于分层打印、堆叠成型的3D打印技术打印而成，所述3D打印技术为挤出堆积成型技术、三维粉末粘结成型技术、选择性激光烧结技术、熔融沉积成型技术、数字光处理成型技术或立体光固化成型技术。

在本发明的一个实施例中，所述3D打印梁的横截面为任意横截面。

在本发明的一个实施例中，所述FRP梁箍包括不封闭U形箍或者封闭环形箍。

在本发明的一个实施例中，所述FRP梁外覆层通过手糊、喷射、板材粘贴或真空灌注方式形成在所述3D打印梁的外表面。

根据本发明第二方面实施例的纤维增强复合材料增强3D打印结构，该纤维增强复合材料增强3D打印结构为纤维增强复合材料增强3D打印柱，包括：3D打印柱；FRP柱外覆层，所述FRP柱外覆层位于所述3D打印柱的外表面，所述FRP柱外覆层为环向封闭。

另外，根据本发明上述实施例的纤维增强复合材料增强3D打印结构，还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述3D打印柱通过基于分层打印、堆叠成型的3D打印技术打印而成，所述3D打印技术为挤出堆积成型技术、三维粉末粘结成型技术、选择性激光烧结技术、熔融沉积成型技术、数字光处理成型技术或立体光固化成型技术。

在本发明的一个实施例中，所述3D打印柱的横截面为任意横截面。

在本发明的一个实施例中，所述FRP柱外覆层为柱全长环向包裹或者局部环向包裹。