[发明专利]连续纤维复合材料超声微碾压增材制造成型装置及方法

说明书

本发明公开了连续纤维复合材料超声微碾压增材制造成型装置及方法，按以下步骤进行制造；1）、初始化；2）、连续纤维增材；3）、超声冲击；4）、碾压加工；5）、冷却；完毕。该发明通过超声装置对打印材料的高频冲击以及碾压装置对打印材料的压平、压实，提高复合材料增材制造成型件的致密度，减少内部缺陷，提高了复合材料层间力学性能，最终提高了零件的力学性能，进一步提高和拓宽了航空航天、国防军工、车辆船舶等领域的应用价值和使用前景。

技术领域

本发明涉及复合材料和增材制造的交叉技术领域，尤其涉及连续纤维复合材料超声微碾压增材制造成型装置及方法。

背景技术

近年来，复合材料的研究发展呈现较快的增长趋势。以树脂作为基体、纤维作为增强体的复合材料，因其具有较高的比强度、较长的比疲劳寿命以及良好的可设计性，在航空航天、汽车船舶、国防军工以及民用工业等制造业领域的应用范围越来越广。传统的连续纤维复合材料制造需要一系列复杂的工艺流程且成本较高，成型构件复杂度受限，且传统3D打印成型方法得到的打印件强度较差，使得连续纤维复合材料适用范围有限。采用一般平面逐层打印成型的连续纤维增强复合材料构件的层间力学性能不足，在受冲击时易出现剪切或分层现象，严重影响复合材料构件的使用可靠性，制约了连续纤维复合材料构件的应用和推广。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了连续纤维复合材料超声微碾压增材制造成型装置及方法，构精巧、加工效率高且加工效果好；能够对连续纤维复合材料构件提高致密度、减少内部缺陷，从而改善层间强度提高力学性能。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

连续纤维复合材料超声微碾压增材制造成型装置，设置在树脂基连续纤维增材制造打印件上方，包括机械臂一、机械臂二、超声冲击装置、滚轮碾压装置，所述超声冲击装置连接在机械臂一的下方，滚轮碾压装置连接在机械臂二的下方，所述机械臂一连接在连续纤维增材制造装置打印喷头前进方向的后侧，机械臂二连接在机械臂一前进方向的后侧；所述的超声冲击装置包括超声波发生器和超声冲击头；所述的滚轮碾压装置包括固定座、异形滚轮、平滚轮；固定座中沿打印方向依次排布异形滚轮和平滚轮。

所述超声冲击装置的超声冲击头连接在机械臂一的下方，在增材制造装置打印头前进方向的后侧，超声波发生装器置于工作台上。

连续纤维复合材料超声微碾压增材制造成型方法，包括以下步骤：

步骤一，打印准备：完成增材制造装置的搭建，超声冲击装置与机械臂一的安装，滚轮碾压装置与机械臂二的安装，对超声冲击头、异形滚轮、平滚轮的位置和角度进行调节；保持与打印头共线；将所有使用的设备全部打开，将走刀轨迹程序输入到控制机械臂一和机械臂二的控制器中，完成调试；

步骤二，送丝增材：通过增材装置的驱动机构和传动机构驱动打印头按照设计轨迹进行移动打印；

步骤三，超声加工：通过机械臂一使得超声冲击装置在打印喷头前进方向的后侧按照相同的轨迹和运动速度进行移动，对刚打印出来的材料进行高频冲击；

步骤四，碾压加工：通过机械臂二使得碾压装置在超声冲击装置前进方向的后侧按照相同的轨迹和运动速度进行移动，并施加下压力，对打印出来的材料进行轧制；

步骤五，冷却：待打印材料冷却后取下；完毕。

优选的，所述驱动机构动力为电动、气动或液压，所述传动机构为丝杠或V带。

优选的，所述连续纤维包括但不限于碳纤维、芳纶纤维、凯夫伦纤维、尼龙纤维、玻璃纤维。

优选的，所述树脂基为热塑性树脂，包括聚乳酸、聚酰胺、ABS、PA、PA66、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮酮、超高分子聚乙烯。

在打印喷头进行连续纤维增强复合材料打印之前，根据不同树脂打印工艺的要求，对工作台和打印腔室进行预热。

相比于传统的连续纤维增材制造方法，本发明的有益效果是：