[发明专利]一种预置纤维棒Z向增强连续纤维复合材料增材制造方法

说明书

一种预置纤维棒Z向增强连续纤维复合材料增材制造方法，先制备纤维棒，然后用纯树脂熔融挤出打印基板；再按照纤维棒预置要求规划打印路径并实时预置纤维棒：在基板打印结束后，打印端进行连续纤维增强树脂基复合材料的挤出成形3D打印，按照强度需求评估纤维棒的数量及分布方式，当打印端在经过纤维棒的预留位置时，按照设定插补路径避开预留位置；当打印端经过预留位置且保证与预置热枪之间不会出现机械干涉的情况下，预置热枪在预留位置打入纤维棒；按照纤维棒长度，重复打印直到达到指定厚度的成形件；本发明通过在挤出成形打印过程中预置Z向纤维棒，提高Z向力学性能，降低复合材料制件的各向异性。

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种预置纤维棒Z向增强连续纤维复合材料增材制造方法。

背景技术

连续纤维复合材料是航空航天、国防军工等领域的重要支撑，自20世纪80年代起，从连续纤维复合材料在美国航空制造领域的原理开发到90年代多个国家的技术展开和成型应用，发展至今，美国的Arevo Labs就已经能够利用纤维铺放技术实现宽达8m的连续纤维复合材料成型，Electroimpact已经将自己的连续纤维铺放设备用于NASA的建造火星等在人航天器的零部件打印以及波音777X机翼结构打印中，而我国多个航天航空院所和高校展开的连续纤维复合材料制造(田小永等.中国专利ZL2014103256503，2014年；单忠德等.中国专利CN106515041A，2017年)的迅速发展等都预示着这项技术新时代的迅猛发展。而除过针对热固性树脂及部分热塑性树脂基体的连续纤维铺放技术，基于材料挤出工艺制造的连续纤维增强热塑性树脂基复合材料成为了新的发展趋势和重点。它相比层压、缠绕等工艺，可成形更复杂结构，且工艺简单容易实现。但是现有的连续纤维增强复合材料工艺均存在着以下核心技术瓶颈：

因为“层层叠加”的制造特性，使得现有成形件存在着极大的层间结合差的问题，而通过连续纤维在X-Y平面内(即层内)的分布能够有效提升X-Y平面内的各项力学性能，Z向仅依靠树脂间粘结作用成形的制件，存在极大的各向异性问题，限制了复合材料的优势和纤维增强的潜力。

发明内容

为了克服上述技术瓶颈，本发明的目的在于提供一种预置纤维棒Z向增强连续纤维复合材料增材制造方法，通过在挤出成形打印过程中预置Z向纤维棒，提高Z向力学性能，降低复合材料制件的各向异性。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种预置纤维棒Z向增强连续纤维复合材料增材制造方法，包括以下步骤：

1)制备纤维棒1：利用连续纤维复合材料熔融挤出成形或连续纤维螺杆挤出工艺将树脂浸渍入纤维束内，在牵引力的作用下经过连续纤维挤出喷嘴后迅速冷却固化形成树脂102浸渍并且包裹着纤维束101的纤维棒1；

2)打印基板2：用纯树脂熔融挤出基板2；

3)按照纤维棒1预置要求规划打印路径并实时预置纤维棒1：在基板2打印结束后，打印端4进行连续纤维增强树脂基复合材料的挤出成形3D打印，按照强度需求评估纤维棒1的数量及分布方式，当打印端4在经过纤维棒1的预留位置时，按照设定插补路径避开预留位置；当打印端4经过预留位置且保证与预置热枪3之间不会出现机械干涉的情况下，预置热枪3在预留位置打入纤维棒1；

4)按照纤维棒1长度，重复步骤3)直到达到指定厚度的成形件。

调整所述步骤1)的树脂的挤出量或者挤出速度，能够调节所需预置纤维棒1的直径。

所述步骤1)使用的纤维和树脂依据实际应用场合决定，纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维或玄武岩纤维。

所述的步骤1)纤维棒1的长度则根据制件层厚设置，在打印中实时剪断。

所述的步骤3)预留位置大小，根据纤维棒1的直径和预置热枪3来决定。