[发明专利]基于3D打印的列车轻智夹层结构一体化设计及制造方法

说明书

本发明公开了基于3D打印的列车轻智夹层结构一体化设计及制造方法，涉及夹层结构复合材料技术领域，旨在解决现目前列车轻量化以及智能化结构健康监测的问题，本发明通过利用新型的连续碳纤维复合材料基于FDM的3D打印技术实现一体化成型夹层结构取代车体原有铝合金结构，实现了一体化制造，相较于列车现有夹层结构，制造工艺更简单，成型更稳固；在轻量化方面较现有的夹层结构能减重33％，在智能化方面能够实现车体结构的承载和损伤的在线实时监测，较现有的离线检测速度更快，精度更高，实现了对列车安全性能的提升。此外，3D打印的一体化成型的技术能够有效减少列车车体各个结构的应力集中，提高相应结构的寿命，节约列车制造成本。

技术领域

本发明涉及夹层结构复合材料技术领域，具体为基于3D打印的列车轻智夹层结构一体化设计及制造方法。

背景技术

在国内，复合材料在轨道交通的应用起步较晚，但是发展迅速，主要应用在内饰及次承载结构、设备舱等，2018中车四方厂的CETROVO车型，利用了碳纤维的车体和转向架，在时速达到149km/h时能够节能15％以上；全碳纤维复合材料的地铁车体，能够减重35％，提高运载能力、降低能耗和使用成本，减少对地铁线路的磨损；2019四方厂的制造的时速600km/h的高速磁悬浮列车，利用了碳纤维的密封材料，较原先的铝合金材料减重30％，但是这种碳纤维结构利用热压罐进行成型，需要在高温高压的情况下经过多次温度与压力的变化才能成型，其工艺复杂，控制精度差，成本和能耗都很高。总体应用方面，复合材料在动车组的应用小于等于10％，仍有很大的应用空间，而复合材料的应用，是未来轨道交通发展的关键。

其中碳纤维增强复合材料是以碳纤维作为增强相，用环氧树脂、橡胶类、工程塑料等作为基质材料，通过复合成型制成的结构材料，与传统的金属材料相比，其具有轻质高强、热膨胀系数低、高导热、可设计性、低电阻、抗震能力强等优点。

作为一类前沿的设计，复合材料的轻质结构可进一步减轻重量，主流的轻质结构有夹层结构、网格结构和仿生结构等。

复合材料夹层构件的中间夹芯结构一般是通过泡沫或蜂窝组成，其具有重量轻、隔音降噪、比刚度与比强度大等优势，在载运工具、医疗、体育及风电等领域具有极大的发展前景，连续纤维增强夹层结构的3D打印技术使其有效摆脱了传统工艺中复杂模具的束缚，节省了长时间的开模周期，实现了面板芯层的一体化成型，彻底摆脱了面板芯层的胶接工艺，为制造多种复杂夹层结构提供了可能。

发明内容

鉴于现有制造技术和连续碳纤维复合材料的优势，本发明公开了基于3D 打印的列车轻智夹层结构一体化设计及制造方法，采用的技术方案是，包括以下步骤：

步骤1、创建三维模型，通过计算机辅助设计制图软件SolidWorks对预想成型的波纹夹层板进行3D建模；

步骤2、根据3D模型编写Gcode代码，进行路径优化并传输3D打印文件 Gcode文件，调整3D打印参数，包括打印层厚、打印温度、打印速率和底板温度等参数，同时规划打印连续碳纤维路径，其中路径要求一笔成型；

步骤3、根据所述打印连续碳纤维路径进行打印，不同打印线材通过各自独立的导管进入打印头，打印头内部开始加热，打印线材被加热到熔融状态，所述连续纤维通过喷嘴沉积于打印床上形成沉积线，所述沉积线逐行排列以构成完整的打印层，打印层逐层堆叠以构成设计的夹层结构形状。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤2中，利用“一笔画”的方法进行连续碳纤维3D打印的路径规划，编写合理的打印路径。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤2中，打印参数设置为：打印温度设置为235℃，打印层厚为0.3mm，出丝口径为1.3mm，打印速率为 100mm/min，底板温度为50℃。