[发明专利]连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3D打印路径生成方法

说明书

本发明公开了一种连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3D打印路径生成方法，根据构件工况进行合理的切片层设计，按设计的特定填充角度进行路径规划，提升构件的综合力学性能。本发明将连续纤维增强复合材料的可设计性优点与多自由度3D打印技术结合，旨在突破传统复合材料3D打印的二维切片局限，对待成型构件使用曲面切片方法，根据成型构件的实际性能要求，进行切片层填充角度的设计，根据设计结果对切片层执行路径规划，实现连续纤维复合材料打印成型。本发明能够实现连续纤维增强复合材料高性能、高效率、高精度的多自由度3D打印成型。

技术领域

本发明属于材料制造技术领域，涉及连续纤维增强复合材料快速成型技术，具体涉及一种连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3D打印路径生成方法。

背景技术

连续纤维增强树脂基复合材料相比于金属材料具有高比强度、高比模量，抗侵蚀等一系列优点，已经成功运用于航空航天、潜艇舰船、汽车赛车、医疗卫生、体育器材等领域。连续纤增强复合材料的传统成型工艺主要有热压罐成型，RTM成型，纤维铺放成型以及缠绕成型等，这些传统成型工艺过程复杂、模具开发周期长、制造成本高。

3D打印技术不仅能够优先提升制造效率，缩短制造周期，而且更能适应复杂机构的精确制造，针对连续纤维增强复合材料3D打印，当前的研究主要偏向对传统的FDM打印机的喷头进行改造，制件的路径生成方式多是偏向在二维平面切片内进行直线往返填充、轮廓偏置填充、混合路径填充等路径规划方法。对纤维的力学性能的利用更多的集中在二维平面内，尚无三维空间内的可行性方案。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3D打印路径生成方法，根据构件工况进行合理的切片层设计，按设计的特定填充角度进行路径规划，提升构件的综合力学性能。本发明旨在打破传统复合材料3D打印的二维切片局限，实现连续纤维复合材料打印成型，对待成型构件使用曲面切片方法，根据成型构件的实际性能要求，进行切片层填充角度的设计，根据设计结果对切片层执行路径规划，结合打印工艺利用CATIA二次开发技术生成适用于连续纤维增强复合材料多自由度3D打印的路径。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3D打印路径生成方法，包括如下步骤：

步骤1，根据成型构件的尺寸要求建立三维模型，编写以构件内表面为基面、沿着构件厚度方向进行切片的切片脚本，获得切片数据集；

步骤2，获取切片数据集后，根据成型构件的实际性能要求，对成型构件做切片层设计；依据其主应力方向设计出充分利用连续纤维的轴向强度的填充角度，纤维的轴向与填充方向保持一致，切片层的角度设计满足对称性原则，根据构件在不同方向的应力的比例，调整切片层填充角度的比例，各个应力方向对应填充角度层数按比例赋予；

步骤3，对所有切片层执行路径规划机制，获得初始参考路径；在初始参考路径的基础上，采用平移方法实现切片完整填充，具体包括如下步骤：

(1)对于切片层曲面A₁，选取初始轨迹初始点a₀₀和参考平面，过a₀₀与参考平面平行的平面与曲面A₁的交线为参考曲线c₀，然后获取点a₀₀在该点处的切平面S₁，将参考曲线c₀投影到S₁上得到参考直线l₀；

(2)在切平面S₁上取与l₀同向，方向与轨迹延伸方向向量乘积为非负数，步长为x的向量b₁，将向量b₁的起点与a₀₀重合，在切平面内S₁绕a₀₀逆时针旋转填充角度α，旋转后向量在S上的投影即为下一个轨迹点a₀₁；