[发明专利]一种高纤维含量的连续纤维增强复合材料及其3D打印方法

说明书

本发明公开一种高纤维含量的连续纤维增强复合材料及其3D打印方法，属于复合材料和增材制造的交叉领域，本发明从连续纤维3D打印实际工况出发，优化现有连续纤维3D打印路径，提出错位压实的打印策略，主要是调节相邻打印层打印起始位置，使得下一层的纤维铺放在上一层的树脂粘结处，实现错位压实的打印效果，并在下一层打印时减少Z轴抬升，将连续纤维压实在上层树脂中，从而提高纤维体积含量，增加相邻打印层层间结合力。

技术领域

本发明属于复合材料和增材制造的交叉领域，涉及一种连续纤维增强复合材料快速成型技术，具体涉及一种高纤维含量的连续纤维增强树脂基复合材料及其3D打印方法。

背景技术

连续纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比模量、可设计性强等优点，广泛应用于航空航天、舰船潜艇、汽车交通、生物医疗、体育器材等诸多领域。连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术是一种新型的复合材料制造技术，因其工艺过程简单灵活、制造精度高周期短、无需昂贵模具、能够快速成型复杂构件等优势，已经引起全世界的广泛关注。

由于打印路径直接影响构件的力学性能，因此已有不少研究关注连续纤维增强复合材料3D打印的路径规划。其中，上海交通大学赵冬华等人(CN107187056A)公开了一种基于曲面分层的复杂零件3D打印方法及系统，根据复杂零件的结构和曲面特征建立其三维模型，并进行结构轻量化拓扑优化设计和空间3D切片分层，最终得到一个优化的打印路径，有效提高复杂零件的表面精度。大连理工大学王福吉等人(CN108891029A)公开了连续纤维增强复合材料3D打印典型路径的规划方法，根据成型构件的实际尺寸要求，建立三维模型并切片分层，借助跳点处理机制准确定位跳点并完成跳点动作，得到最少断点的打印路径，保证连续纤维增强复合材料的力学性能。西安交通大学田小永团队(CN106980737A)公开了一种连续纤维增强复合材料轻质结构的制造方法，开发出连续纤维增强复合材料轻质结构轮廓-内部芯材搭接和内部芯材复杂形状十字搭接方法，获得一体化连续纤维增强复合材料轻质结构。另外，南京航空航天大学王显峰团队(CN112046007A)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。北京机科国创轻量化科学研究院有限公司单忠德等人(CN110001067A)利用有限元仿真技术模拟构件的应力分布，并结合纤维特点规划出可以针对性调整纤维取向的打印路径。

众所周知，连续纤维的体积含量直接影响构件的力学性能，提高纤维体积含量有助于进一步提高构件的综合性能。这些打印路径的出现虽然一定程度上提高了连续纤维增强树脂基复合材料3D打印构件的力学性能和成型精度，但是这些打印路径并不能提高构件的纤维体积含量，无法进一步提高构件的力学性能。不少研究也表明目前影响连续纤维3D打印的主要因素之一是如何提高构件中连续纤维的体积含量(陈向明等.3D打印连续纤维增强复合材料研究现状综述.航空学报)。因此，开发一种高纤维含量的连续纤维3D打印技术意义重大。

发明内容

为了解决现有打印方法中连续纤维体积含量低、层间结合力弱、力学性能差等问题，提高3D打印构件的综合性能，拓宽连续纤维增强复合材料3D打印技术的应用领域，本发明提出一种高纤维含量的连续纤维增强复合材料及其3D打印方法，从连续纤维3D打印实际工况出发，优化现有连续纤维3D打印路径，提出错位压实的打印策略，主要是调节相邻打印层打印起始位置，使得下一层的纤维铺放在上一层的树脂粘结处，实现错位压实的打印效果，并在下一层打印时减少Z轴抬升，将连续纤维压实在上层树脂中，从而提高纤维体积含量，增加相邻打印层层间结合力。

本发明采用的技术方案如下：

一种高纤维含量的连续纤维增强复合材料3D打印方法，包括以下步骤：

1)根据构件尺寸要求，利用建模软件建模，并通过切片软件进行分层，处理跳点并结合有限元分析，规划出无断点的连续纤维增强复合材料3D打印路径；

2)结合构件尺寸要求和3D打印路径，调节新打印层与上一打印层的起始位置，通过就近错位正负半个扫描间距，将下一打印层的纤维铺放在上一层的基体树脂粘结处；