[发明专利]连续纤维增强复合材料3D打印典型路径的规划方法

说明书

本发明连续纤维增强复合材料3D打印典型路径的规划方法属于复合材料快速成型领域，涉及一种连续纤维增强复合材料3D打印典型路径的规划方法。该方法根据成型构件的实际尺寸要求，借助CAD建模软件建立三维模型，并利用3D切片软件对其进行切片分层处理，以获取轮廓和层片信息。判断路径的弯曲程度并启动相应路径规划机制，借助跳点处理机制准确定位跳点并完成跳点动作。利用层间路径规划机制实现纤维无断点的层间转换，实现连续纤维增强复合材料高质量、高效率的3D打印新路径。该方法规划出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。有效减少连续纤维在弯折处的成型缺陷，提升其在弯折处的结合力，提高成型构件的整体性能。

技术领域

本发明属于复合材料快速成型领域，涉及一种连续纤维增强复合材料3D打印典型路径的规划方法。

背景技术

纤维增强复合材料具有轻质、高强且可整体设计制造的优点，现已成为航空、航天等高端装备领域中关键构件的首选材料。然而，随着高端装备中关键构件的功能化和高性能化需求不断提高，构件的结构设计愈发复杂，传统铺放固化的制造工艺无法满足复杂构件的形性要求，严重影响了纤维复合材料在高端装备复杂结构件中的应用。

3D打印技术应用了离散-堆积的思想，从根源上避免了传统减材制造中存在的难成型、难加工的问题，不仅能有效提升制造效率及材料利用率、降低生产成本，还可以实现复杂结构件的快速精密制造。3D打印技术的快速发展，为纤维复合材料的制造提供了新的研究方向。然而，在连续纤维增强复合材料的3D打印成型过程中，由于增强的纤维材料自身具有硬脆性，极易在弯曲处形成应力集中，结合力大幅下降。同时，在零件的小角度弯折部分的成型过程中，传统的3D打印路径极易导致纤维发生断裂，严重削减成型构件的力学性能。在连续纤维增强复合材料路径规划过程中，保持纤维连续性和实现跳点打印是保证构件力学性能最为关键的因素。

据此，国内外学者展开了广泛的研究。加拿大阿尔伯塔大学的Garrett W.Melenka等人在“Composite Structures”上发表的《Evaluation and prediction of the tensileproperties of continuous fiber-reinforced 3D printed structures》中介绍了MarkOne打印机的纤维打印路径，通过特有的算法，并在尼龙等树脂的配合下，可以较好的完成连续纤维的铺放成型工作，然而这种方法容易在纤维起始处产生缺陷，导致纤维层间的结合能力较差，并且连续纤维的填充含量有限，制约了成型构件的力学性能。武汉理工大学的马国峰等人在“机械设计与研究”上发表的《碳纤维长纤3D打印的路径跳转处理》中提出了一种基于三维路径坐标与远端切断装置间距离关系的长纤维3D打印路径跳转算法，通过断点的识别和位置的匹配，能较好的完成路径的跳转，然而上述算法的位置匹配方式复杂，计算量巨大，形成代码的效率很低，不利于实现3D打印技术快速成型的要求。此外，该算法计算出的路径断点过多，严重影响了纤维的连续性，也会使最终成型构件的力学性能大打折扣。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，针对连续纤维3D打印的路径规划仍然存在弯折处纤维结合力弱、小角度弯折处纤维易断裂、路径断点多等问题，这极易造成连续纤维复合材料成型构件的缺陷形成，严重制约成型构件性能，甚至导致成型构件打印失败。在3D打印过程中，由于连续纤维弯曲易折的特性，针对层内路径、层间路径、弯折路径、跳转路径等问题，以及小角度弯曲路径是连续纤维复合材料成型过程中常见的难规划路径，打印路径应该尽量保证纤维的连续性，最大程度上减少纤维断点。考虑到纤维增强相和树脂基体相之间巨大的热力学差异，发明了一种连续纤维增强复合材料3D打印典型路径的规划方法，以实现这类复杂结构件高质、高效成型的严苛要求。该方法根据成型构件的轮廓和层片信息，判断路径的弯曲程度并启动相应路径规划机制，借助跳点处理机制准确定位跳点，并完成跳点动作，利用层间路径规划机制实现纤维无断点的层间转换，最终获得了可实现连续纤维增强复合材料高质量、高效率、低缺陷成型的3D打印新路径，大幅降低了成型成本，显著提高了打印效益。