[发明专利]一种3D打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种长纤维增强金属基复合材料的新工艺，特别是利用3D打印成形技术和三维织造成形技术制备形状复杂、变截面零件的工艺方法。

背景技术

纤维增强金属基复合材料具有轻质、比强度高、耐磨性强、比模量高、耐高温性能好、抗老化等优良的综合性能，在先进武器、航空航天等领域有着广阔的应用前景，同时金属基复合材料逐渐地从军事国防向民用领域渗透，如今已在陆上运输、民航、工业和体育休闲产业等诸多领域实现商业化的应用。

目前，金属基复合材料的制备方法主要有液态制备法和固态制备法，液态制备法主要有搅拌溶铸法、液态浸渗法、喷射沉积法。固态制备法主要包括粉末冶金法、热压法等。但是这些方法都有较明显的局限性，比如，液态金属搅拌熔铸法的基本原理是将增强颗粒直接加入基体金属熔体中，通过一定的搅拌方式使颗粒均匀地分散于金属基体中，然后浇铸成锭坯、铸件等，但这种方法对于长纤维增强材料并不适用，另外，该方法不能实现复合材料性能可设计性这一突出特点；液态浸渗法是先将增强相做成预制件，用惰性气体或机械化装置作为压力媒体将金属液压入预制件的孔隙中，凝固后即成复合材料，此种方法对于结构比较复杂的零件不适用，而且制造成本较高，对零件的尺寸要求严格。粉末冶金法是最早用来制备金属基复合材料的一种固态制备法，可以制备复合材料坯锭以供挤压、轧制、锻压和旋压而最终成形，但粉末冶金法只适用于制备各种颗粒或晶须增强的金属基复合材料，且其制备工艺复杂、成本较高，限制了复合材料的工业化、大规模生产。

柔性导向三维织造技术能制造出形状较复杂、结构性能较好的零件预制体，但是由于预制体的形状复杂，常规浸渍工艺很难浸渍完全，容易导致成品制件出现浇不足、缩孔、缩松等严重缺陷。本专利将复合材料柔性导向三维织造技术与3D打印成形技术深度结合，能够实现金属基复合材料零件的分层快速成形，不仅能解决预制体浸渍困难问题，还能够解决复杂变截面零件成形问题，同时提高生产效率，降低生产成本。

发明内容

为了满足长纤维增强金属基复合材料的性能要求，保证纤维连续性，解决复杂变截面零件的织造问题。本发明提出一种基于3D打印快速成形的工艺方法制备三维织造长纤维增强金属基复合材料，该工艺方法可以实现长纤维增强金属基复合材料的纤维织造与金属浸渗一体化成形，可以高效快速的制备出形状复杂、截面变化的复合材料零件，且无需后期加工处理。

本发明采用3D打印技术与柔性导向三维织造技术相结合制备长纤维增强金属基复合材料，具体包括以下步骤：

（1）根据零件实际尺寸，完成零件的三维CAD建模，利用软件对零件的三维CAD模型进行分层处理并得离散化的二维层片信息；

（2）计算机根据零件的性能需求，结合柔性导向三维织造技术原理，得到每个层面所需要导向柱的类型、材料、数量以及排布方式等打印成形信息，同时自动生成纤维三维织造路径的程序；

（3）根据三维织造中导向柱的分布规律，根据零件的性能需求，结合3D打印成形技术原理，得到导向柱的打印程序和每个层面所需要金属的类型以及每层打印厚度的信息；

（4）在真空条件下，3D打印成形机根据打印程序首先在可实时控温的工作平台上打印出第一层导向柱；

（5）三维织造成形机根据三维织造程序以3D打印导向柱为导向完成一层纤维的编织，层间织造纤维的路径根据打印导向柱的排布以及零件对纤维排布的要求确定；

（6）3D打印成形机根据打印程序完成一层织造纤维间的金属喷射沉积成形；（7）一层成形完毕后，形成新的成形表面，3D打印成形设备上移，距离为

下一层导向柱的高度；

（8）3D打印成形机在当前金属沉积层的表面打印导向柱，所有层间导向柱的参数根据具体零件性能的具体要求而变化；

（9）重复步骤5~8直至零件制备完成。

所述导向柱是根据零件层片信息要求通过3D打印技术制得，导向柱的材质、数量、高度以及分布根据零件当前层信息调整；根据导向柱在当前层中所处位置不同，可以改变导向柱的截面形状和方向。

所述织造纤维是碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、氮化硼、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或几种。

每层纤维以当前层打印的导向柱为导向进行织造，每层织造纤维的路径根据零件当前层信息相应调整。

根据零件性能的不同需求，对每层可以选择一种或多种金属打印成形。每层喷射沉积金属的厚度与当前层导向柱高度相同，3D打印成形设备每次打印完成后上升的高度为下一层导向柱的高度。

所述工作平台处于真空或惰性气体保护中。