[实用新型]仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印装置

说明书

本实用新型公开了仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印装置，该装置包括数字化连续纤维编织系统、成型制造系统及控制系统，根据预定义的几何模型和内部多级螺旋缠绕纤维分布模式，建立相关三维模型，并进行离散化处理；利用纤维编织系统引导连续纤维增强的复合丝材编织成多级仿生螺旋缠绕结构，进一步用于3D打印成型系统；最后通过后处理固化成型，实现了强韧化仿生复合材料样件的制备，本实用新型在航空航天、汽车、船舶和风力发电等领域高端装备的关键部件具有巨大的应用潜力。

技术领域

本实用新型属于增材制造领域，特别涉及仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印装置。

背景技术

航空航天、汽车、船舶和风力发电等领域的高端装备通常在较为严苛的环境中服役，这要求其关键部件材料同时具备高强与高韧的特性，而工程材料往往为了获得高强度以牺牲其断裂延伸率和韧性为代价，无法实现强度与韧性协同增效。反观自然，动植物的部分材料组织(例如植物的棉麻纤维、动物的毛发和蚕丝)有效规避了强与韧的性能矛盾问题，实现了高强度与高韧性的完美组合。研究表明，这些典型的生物结构材料具有一些共性：它们都是天然多级复合材料，高度有序的纤维编织成多级螺旋缠绕结构，有效包裹在较柔软的有机物基质中。

然而，受制于设计手段与制造工艺的限制，面向强韧化材料的结构创新与制造技术长期处于探索阶段，而自然界的层级螺旋结构为强韧化仿生复合材料的设计提供了新的制造思路，但依然缺乏工程化技术手段。

实用新型内容

为解决上述背景技术中存在的问题，本实用新型提供仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印方法及装置，可实现复合材料内增强相连续纤维的多级螺旋缠绕，进而协同增强材料的强度与韧性。

本实用新型之仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印装置：包括成型制造系统、数字化连续纤维编织系统及控制系统；

所述数字化连续纤维编织系统含有1级、2级、3级至n级缠绕系统；

所述数字化连续纤维编织系统的基本缠绕系统单元是由两个材料输送系统及一个编码缠绕器组成；

所述材料输送系统包括挤出头固定装置、系统支架、上级丝材纤维输送器、流体基质输送装置及复合器；其中挤出头固定装置、上级丝材纤维输送器、流体基质输送装置及复合器固定在系统支架上；上级丝材纤维输送器位于复合器上方；流体基质输送装置与复合器直接相接；挤出头固定装置内含复合丝材输出头。

所述编码缠绕器包括引线器和缠绕装置；

所述成型制造系统包括三维运动系统、多级仿生缠绕复合丝材输送器、挤出装置、复合丝材裁剪装置；其中三维运动系统可控制成型制造系统在X、Y、 Z三个。方向的运动；多级仿生缠绕复合丝材输送器位于挤出装置上方；复合丝材裁剪装置固定在挤出装置，可沿挤出装置斜面方向上下运动，并能实现180°的旋转剪切。

本实用新型之仿生多级螺旋结构增强复合材料的3D打印方法，包括以下步骤：

第一步：基质材料由聚合物和易挥发的有机溶剂组成

所述聚合物体积比为44-78vol.％，所述有机溶剂体积比为22-56vol.％；

所述聚合物是由聚乳酸、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯材料中的一种或多种组成；

所述有机溶剂为丙酮或二甲基甲酰胺易挥发性溶剂；

所述基质材料是将聚合物分三次等份加入到有机溶剂中，完全溶解并混合均匀，制备完成后备用，获得的材料黏度控制在2600～5800Pa·s；

连续性增强纤维是由玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维及聚芳酰胺纤维以及极细金属丝中的一种或多种组成；

第二步：多级螺旋缠绕结构增强仿生复合材料的3D打印