[发明专利]一种纤维增强热塑性材料自动铺放与熔融沉积复合工艺

说明书

本发明涉及一种纤维增强热塑性材料自动铺放与熔融沉积复合工艺，属于纤维增强热塑性复合材料成型加工领域。首先对目标零部件的主承力结构进行纤维自动铺放路径规划，得到铺放路径，运用连续单向纤维增强热塑性材料预浸带，通过激光辅助加热与冷压辊对带材进行铺放原位固化成型，即得到自动铺放成型的目标零部件的主承力结构；然后对目标零部件的功能装配结构进行切片处理得到熔融沉积路径，将铺放好的主承力结构进行加热提高表面温度，并根据熔融沉积路径，运用段纤维增强热塑性材料预浸原丝进行送丝打印，对功能装配结构进行沉积成型。本发明整体化成型避免了螺栓连接钻孔造成的连续纤维断裂及层间损伤问题，可显著提高构件的整体力学性能。

技术领域

本发明属于纤维增强热塑性复合材料成型加工领域，更具体地，涉及一种纤维增强热塑性材料自动铺放与熔融沉积复合工艺，尤其涉及一种基于纤维自动铺放与熔融沉积复合制造工艺的高强度复杂结构件成型方法。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料因其高比强度、性能可设计、抗疲劳性和耐腐蚀性好等优点，是航空航天、深海船舶、汽车等国家战略领域和支柱产业理想的新一代结构材料，特别是连续纤维增强热塑性复合材料，较热固性复合材料具有更高的韧性和冲击强度，且可修复、易回收利用，已成为复合材料领域国际竞争的新前沿。

目前，碳纤维热塑性复合材料的主要成型工艺有铺放、缠绕等，先将连续碳纤维预浸料(布/带/丝)铺放在基板或缠绕到芯模，再通过烘箱、模压、热压罐等熔融固化成型。单一的纤维铺放成型主要用于飞机、船体甲板等大壁板简单平板类构件，而目前能制备外形复杂热塑性复合材料部件的熔融沉积技术仍不够成熟，力学性能尤其是层间剪切强度较差。上述单一工艺的特点大大地限制了其在航空航天等重大领域的应用范围。

随着装备轻量化与性能要求的不断提高，上述领域关键零部件日趋整体化、复杂化，复合材料构件往往会在薄壁基础上增加增强结构(加强筋/角撑等)、功能结构(卷边/凸台/深孔等)、装配结构(卡槽/卡扣等)，这些复杂结构通过现有成型工艺难以制造，对纤维增强热塑性复合材料成型带来了新挑战：1)目前多采用分体成型再连接组装的方法，导致产品性能难保证：2)无法连接导致产品设计修改，造成重量冗余；3)产品特性使得分体成型或修改设计均十分困难，导致无法制造。因此，如何解决现有成型方法难以制造具有增强、功能、装配等复杂结构的承力部件的瓶颈问题，是碳纤维热塑性复合材料工程应用的迫切需要。

发明内容

为解决兼具高强度与复杂外形热塑性复合材料成型难的问题，本发明基于连续单向纤维铺放工艺制造高强度主承力结构部分，基于熔融沉积工艺进行加强筋、肋条等复杂功能结构成型，通过原位固结实现复合工艺整体化制造。

根据本发明的目的，提供了一种纤维自动铺放与熔融沉积复合工艺，包括以下步骤：

(1)对目标零部件的主承力结构进行纤维自动铺放路径规划，得到铺放路径；根据该铺放路径，运用连续单向纤维增强热塑性材料预浸带，通过激光辅助加热与冷压辊对带材进行铺放原位固化成型，即得到自动铺放成型的目标零部件的主承力结构；

(2)对目标零部件的功能装配结构进行切片处理得到熔融沉积路径，将步骤(1)得到的铺放好的主承力结构进行加热提高表面温度，并根据所述熔融沉积路径，运用长度小于等于300微米的短纤维增强热塑性材料预浸原丝进行送丝打印，对功能装配结构进行沉积成型。

优选地，步骤(1)和步骤(2)之间，还包括温压二次成型步骤，即将铺放后的主承力结构加热并嵌入模具中，运用合模压力使其温压二次成型，获得主承力结构的异型结构。

优选地，所述主承力结构的异型结构为凸台和/或卷边。

优选地，所述加热的温度在连续单向纤维增强热塑性材料预浸带中的热塑性材料熔点温度之下，且在玻璃化转变温度之上。

优选地，所述连续单向纤维增强热塑性材料预浸带的宽度为6.35mm或12.7mm，所述短纤维增强热塑性材料预浸原丝的直径为1.75mm。