[发明专利]基于增材制造的连续纤维立体连续成型方法、产品及应用

说明书

本发明属于增材制造相关技术领域，并公开了一种基于增材制造的连续纤维立体连续成型方法、产品及应用。该成型方法包括下列步骤：将待成型零件的三维结构模型划分为内层部分和外层部分，分别将内层部分和外层部分划分为多个切片层；对于所述外层部分，采用增材部分成型逐层成型外层部分，在成型过程中外层部分所有切片层中的连续纤维的方向相同；对于内层部分，采用增材制造逐层成型每个切片层，其中，相邻切片层中的连续纤维的方向呈预设夹角。本发明还公开了上述方法制备获得的产品，以及上述成型方法的应用。通过本发明，解决连续纤维零件平行于连续纤维分布方向强度高，而其它方向强度弱的问题。

技术领域

本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于增材制造的连续纤维立体连续成型方法、产品及应用。

背景技术

增材制造技术相对于减材制造能显著提高材料的利用率，可以一体化成型零件，减少甚至避免零件的装配，相对于等材制造能更轻易实现具有复杂外形及内部镂空结构零件的成型。增材制造采用离散-堆积的原理，逐层成型获得三维实体，因而可成型复杂结构的零件，但却导致台阶效应。增材制造零件层间结合力过小，具有显著的各向异性。

高分子材料使用增材制造技术能快速获得零件的模型，但获得的零件强度低，用于模型展示等对强度要求不高的行业，很少直接用于工业生产，现常用作模具，与铸造行业结合，获得铸件，从而应用于工业生产中。学者提出采用高性能高分子及连续纤维等提高成型件的性能，进而直接进行工业应用。但高性能高分子熔点高，对设备要求大，而连续纤维是具有强烈取向性，在拉伸方向具有高强度，而其余方向强度不高。现有增材制造设备在采用连续纤维成型零件时，只能实现二维平面层内的成型，并不能实现三维设定轨迹成型，层与层之间是靠热塑性高分子连接，因而零件在竖直成型方向上的强度取决于热塑性高分子的强度。热塑性高分子材料相对于连续纤维材料，强度太低，因而成型件具有很高的各向异性，在垂直基板面方向上强度最低，在连续纤维平行方向上，强度最高。在零件的实际应用中，很多零件承受复杂载荷，需要承受来自各个方向上的应力，因而对零件各维度的强度提出要求。

为了解决这一问题，国际上通常采用机械手与变位机作为工作平台，将传统的平面逐层成型方式改成曲面成型，但层间结合力较弱的问题还是没有解决，且无法成型连续纤维材料，成型零件性能较低。Electroimpact公司提出先用FDM成型模具内壳，再用纤维铺放的方式进行缠绕，以增强零件性能，这种方式只能成型凸形结构，在面对有凹陷位置时，无法加工，且纤维只包覆在零件表面，零件内部没有纤维增强，这种方式限制了增材制造的灵活性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于增材制造的连续纤维立体连续成型方法、产品及应用，解决连续纤维零件平行于连续纤维分布方向强度高，而其它方向强度弱的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于增材制造的连续纤维立体连续成型方法，该成型方法包括下列步骤：

将待成型零件的三维结构模型划分为内层部分和外层部分，分别将内层部分和外层部分划分为多个切片层；

对于所述外层部分，采用增材部分成型逐层成型外层部分，在成型过程中外层部分所有切片层中的连续纤维的方向相同；

对于内层部分，采用增材制造逐层成型每个切片层，其中，相邻切片层中的连续纤维的方向呈预设夹角。

进一步优选地，所述内层部分的切片层分为两种切片层，分别为n1层和n2层，n1层和n2层彼此交错分布。

进一步优选地，所有所述n1层中的连续纤维的分布方向相同，所有所述n2层中的连续纤维的分布方向相同。

进一步优选地，所述n1层和n2层中连续纤维的夹角方向呈90度。

进一步优选地，所述外层部分中所有切片层中连续纤维的方向均为竖直向下。