[发明专利]一种超声辅助纤维增强复合材料增材制造方法及装置

说明书

本发明涉及一种超声辅助纤维增强复合材料增材制造方法及装置，其中，一种超声辅助纤维增强复合材料增材制造方法，包括以下步骤：将纤维材料预热，将树脂材料熔化成浆料状后进行增材制造；将预热后的纤维材料和浆料状的树脂材料在基板上混合，所述基板上连接有弹簧，所述弹簧连接有超声波发生器；同时，采用超声波发生器通过弹簧带动基板摇摆振动，所述振动频率低于纤维材料和浆料状的树脂材料的固有频率，直至纤维材料和树脂材料融合逐层形成复合材料增材制件。本发明属于复合材料增材制造技术领域。

技术领域

本发明涉及复合材料增材制造技术领域，特别是涉及一种超声辅助纤维增强复合材料增材制造方法及装置。

背景技术

纤维增强复合材料在航空航天领域的大量应用不但减轻了结构重量，而且通过结构和功能的一体化设计可提高装备的性能和质量。其中，高强度纤维不仅具有低密度，高强度，高弹性，而且还具有耐温，耐药，低电阻，低扩展的优良特性。

复合材料的高强度依赖于聚合物的粘接对纤维的粘接性能的牢固程度，粘接性能好，可以使载荷均匀分布，并传递到高强度的纤维上去，产生了协同效应，使材料的综合力学性能大大提高。复合材料具体分为两种，一种是热固性树脂基复合材料，通常采用手糊成形法、喷射成形法、模压成形法、注射成形法、RTM成形法等；另一种是热塑性树脂基复合材料，通常采用模压成形法、注射成形法、RTM成形法、真空热压成形法、缠绕成形法等。所有的成形工艺均需要有模具，装备和产品的研制周期长，成本高，应用范围深度和广度受限。

复合材料制造方法中，手糊成形法，虽然成本低，自由度高，但稳定性差，劳动强度大，不利于大规模生产。而注射成形树脂含量高，增强纤维短，制品的强度低，难脱模的结构无法加工。再者树脂基与纤维壁粘接不良而自身粘接性强，纤维碳化后与纤维壁易脱粘，自身成为一团而堵塞孔洞，不利于在浸渍和致密度的提高。

3D打印技术是一种材料逐层累加的“自下而上”的自动化、数字化成形制造技术，具有材料利用率高、结构设计与制造一体化、无需模具等优点，可以实现材料制备与构件成形制造一体化，为单件小批量复杂零件和模具的快速制造提供了数字化解决方案。与传统的模压成形工艺相比，3D打印复合材料虽然具有较高的孔隙率，但是3D打印得到的样品在打印方向上纤维取向非常高(高达91.5%)，而压缩成形工艺得到的样品纤维取向较低。

使用增材制造的方法实现连续纤维增强树脂基复合成形成形，已成为主流，所采用的工艺过程，树脂流动方式主要依赖于自身重量和推力，比较有规律，目前的FDM类似喷射成形的方法，将纤维和树脂熔化混合，用于增材制造，该方法类似喷射成形，性能优于三维编织成形，但只能用短纤维，且Z向具有较差的层间剪切强度和界面结合力，在成型工件受力过程中，会导致层间脱落或断裂；而长纤维增材制造过程中，当纤维体积分数过或过低时，材料中缺陷(空隙)较多，从而导致冲击性能较弱，界面结合性能较差，受力过程中出现分层及易断裂的现象。因此树脂和纤维的结合度、紧实度低是目前增材制造树脂基复合材料的主要问题。

因此，发明人提供了一种超声辅助纤维增强复合材料增材制造方法及装置。

发明内容

（1）要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种超声辅助纤维增强复合材料增材制造方法及装置，解决了树脂与纤维粘接不良、易形成孔洞的技术问题。

（2）技术方案

本发明实施例的第一目的是提供一种超声辅助纤维增强复合材料增材制造方法，其采用的技术方案如下：

一种超声辅助纤维增强复合材料增材制造方法，包括以下步骤：

将纤维材料预热，将树脂材料熔化成浆料状；

将预热后的纤维材料和浆料状的树脂材料在基板上混合，同时，采用超声波发生器带动基板摇摆振动，直至纤维材料和树脂材料融合逐层形成复合材料增材制件。