[发明专利]一种具有Z向增强功能的连续纤维增材制造方法

说明书

本发明涉及一种具有Z向增强功能的连续纤维增材制造方法，属于复合材料和增材制造的交叉领域，解决由增材制造技术制备的连续纤维增强树脂基复合材料的层间剪切性能差的问题。本发明提出一种具有Z向增强功能的连续纤维增材制造方法，沿Z向对复合材料构件模型进行单元划分，通过构建曲面结构区，在复合材料构件内部Z向引入连续纤维，改善或增强成形复合材料构件的层间性能。该发明突破了连续纤维增材制造平面逐层打印的方式，通过平面逐层打印和曲面打印相结合的方式，进一步改善了复合材料层间力学性能，实现了连续纤维增材制造分区打印和复杂曲面打印，使复合材料构件内部纤维结构呈现复杂多样化，发挥复合材料各项异性的优势。

技术领域

本发明涉及一种具有Z向增强功能的连续纤维增材制造方法，属于复合材料与增材制造的交叉技术领域。

背景技术

连续纤维增材制造(CFAM)是将连续纤维增强树脂基复合丝材由增材制造装备进行逐层打印，对数字模型进行切片和路径/轨迹规划，调控设备速度、温度、打印间距、层厚等工艺参数，实现复合材料复杂构件的打印成形。连续纤维增强复合材料增材制造突破了传统熔融沉积成形(FDM)复合材料构件的方法，是将连续纤维与树脂基体采用增材制造工艺与方法进行的快速复合成形，该方法与技术具有工艺流程短、制造过程工序少、环境污染小、能量消耗低等优势，能够实现个性化、小批量、复杂结构构件的一体化成形，具有较高的应用价值。而采用平面逐层打印成形连续纤维增强复合材料构件的Z向(层间)力学性能不足，易出现剪切或冲击分层等现象，影响了复合材料构件的可靠性和使用寿命，制约了连续纤维增材制造成形复合材料构件的广泛应用与技术推广。

发明内容

本发明依据复合材料构件的性能要求、结构特点和Z向尺寸，对复合材料构件进行区域划分，通过构建曲面结构区，在复合材料构件Z向引入连续纤维，突破连续纤维增材制造沿Z方向进行平面逐层打印的形式，为了提高连续纤维增材制造层间结合性能而提出的一种具有Z向增强功能的连续纤维增材制造方法。改善或增强成形复合材料构件的层间性能，实现连续纤维增强复合材料增材制造高质量成形，为连续纤维增材制造技术的应用推广奠定了基础。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种具有Z向增强功能的连续纤维增材制造方法，其特殊之处在于，具体步骤如下：

①建立连续纤维增强复合材料构件的三维模型，根据三维模型获取所述构件模型轮廓数据；

②根据构件特点、性能要求和Z向尺寸，对所述三维模型进行复合材料内部纤维结构设计；

③依据所述三维模型Z向尺寸进行单元划分，可划分为多个单元，每个单元均由三个区域组成，分别为曲面支撑区域、曲面区域和曲面覆盖区域，若Z向尺寸较大无法划分为一个单元，则划分为多个单元，反之则由一个单元组成，其中曲面区域为Z向尺寸最大；

④依据所述内部纤维结构设计，对各区域进行分层，并规划内各层路径/轨迹，将相邻层间的路径/轨迹进行有效衔接；

⑤采用平面填充路径/轨迹对曲面支撑区域和曲面覆盖区域进行路径/轨迹规划；

⑥采用曲面路径/轨迹对曲面区域进行路径/轨迹规划；

⑦采用连续纤维增材制造设备进行打印，该设备具备多轴运动机构，至少为四轴设备；

⑧将适用于所述构件的树脂基连续纤维复合丝材安置于送丝系统上并穿过打印喷头；

⑨加热打印喷头至所需温度，维持温度直至打印结束；

⑩依据各区域路线/轨迹规划驱动打印喷头将熔融后的复合丝材在工作平台上打印成型；

打印过程中送丝系统为打印喷头进行复合丝材的供给，并依据打印速度调控送丝速度，直至实现所述复合材料构件的增材制造。