[发明专利]铝基连续碳纤维增强复合材料的3D成型方法

说明书

本发明公开了一种铝基连续碳纤维增强复合材料的3D成型方法，涉及碳纤维复合材料制备方法技术领域。本发明所述方法通过复合3D打印装置将碳纤维与铝合金熔体交替混合，然后被送至并凝固到工件基体上，后续另一铝合金3D打印装置将上一工序裸露的碳纤维通过铝合金熔体覆盖，凝固后通过旋转铣刀将该铝合金层的凝固界面平整化，以便于后续复合3D打印导辊工作，最终通过上述系统连续工作，在控制终端的作用下实现铝基连续碳纤维增强复合材料的3D成型；能够实现碳纤维定向分布均匀的复杂铸件的精密成型，在制备大型工件方面设备成本相对较低，制备的工件缺陷较少，质量较高。

技术领域

本发明涉及碳纤维复合材料制备方法技术领域，尤其涉及一种铝基连续碳纤维增强复合材料的3D成型方法。

背景技术

碳纤维复合材料是目前最先进且应用前景最为广阔的复合材料之一。在比强高、耐腐蚀、抗烧蚀等方面具有其他纤维复合材料无法比拟的优势。伴随着高性能碳纤维的发展，碳纤维增强金属复合材料也是当前发展最为迅速的方向之一。连续碳纤维增强铝基复合材料具有比强度高、比模量高、热膨胀系数小、热稳定性好等优异的力学性能及物理性能，在航空航天、化工、汽车机械等领域应用广泛。常用的碳纤维增强铝基复合材料的制造方法主要有：固态法（粉末冶金法、扩散粘接法等）和液态法（挤压铸造法、真空压渗法、无压浸渗法等）两大类，但均存难以实施碳纤维定向分布均匀的复杂铸件的精密成型，这些方法在制备大型工件方面也存在设备昂贵，制备工件缺陷较多等困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够纤维定向分布均匀且制备的工件质量较高，成本相对较低的铝基连续碳纤维增强复合材料的3D成型方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种铝基连续碳纤维增强复合材料的3D成型方法，其特征在于包括如下步骤：

通过复合3D打印装置将碳纤维与铝合金熔体交替混合，然后送至并凝固到工件基体上；

再经过铝合金3D打印装置将上一工序裸露的碳纤维通过铝合金熔体覆盖；

凝固后通过旋转铣刀将铝合金层的凝固界面平整化以便获得平整的表面，以便于后续复合3D打印装置工作；

通过上述装置连续工作，在工件基体上实现铝基连续碳纤维增强复合材料的3D成型。

进一步的技术方案在于，所述方法包括如下步骤：

1）根据打印层的设计厚度（打印层的设计厚度包括每层复合3D打印和铝合金3D打印层之和），制备用于输出打印用复合材料的复合3D打印装置的复合打印导辊以及用于输出打印用铝合金材料的铝合金打印导辊，并设定复合打印导辊和铝合金打印导辊的运行速度，获得平稳打印层厚度所需的复合3D打印装置中第一打印炉筒内的气体压力值以及铝合金打印装置中第二打印炉筒内的气体压力值；

2）首先将铝合金料装入复合3D打印装置的第一陶瓷坩埚和铝合金3D打印装置的第二陶瓷坩埚中；关闭第一打印炉盖和第二打印炉盖；然后根据所打印的碳纤维复合材料成型件的结构设定原始坐标点，x轴为 “打印横向水平方向”，Y轴为 “铝合金垂直堆积方向”，Z轴为“打印纵向水平方向”，其中x轴正方向也为初始出发方向；设定复合打印导辊、铝合金打印导辊和旋转铣刀的行走路线；复合打印导辊位于打印原点，铝合金3D打印装置和旋转铣刀初始位于打印原点X轴的负方向位置，三者之间的最小间距为不影响三者运动的最小距离；

3）在第一打印炉筒外部的装配缠绕碳纤维束的碳纤维轮，并将碳纤维束通过导向轮缠绕至复合打印导辊上的碳纤维槽中，然后将通过碳纤维槽的碳纤维束固定在基座上，位于沿旋转铣刀（29）位置的x轴负方向5mm-10mm处，通过张紧器张紧碳纤维束；