[发明专利]一种基于多材料3D打印技术的空间架构复合材料

说明书

本发明公开了一种基于多材料3D打印技术的空间架构复合材料，属于复合材料技术领域，包括内部空间骨架和外部包覆壳体，所述内部空间骨架包括多个相同的内部空间单元结构，每个所述内部空间单元结构包括多个连接球和连接杆，所述连接杆的两端点分别连接在相邻的两个连接球上，所述连接球与连接杆的连接处采用圆弧过渡。本发明具有独特内部空间骨架结构，抗压性能、抗弯性能和抗剪切性能更好；杆与球结合面采用圆弧过渡，具有更好的应力分布性能；在玄武岩纤维复合材料浆料制备中添加纳米二氧化硅和氧化石墨烯不仅能有效提高复合材料的力学性能，还能具备杀菌、抗静电、增韧、防水等功能；采用3D打印成型有更快的加工成型速度和效率和更高的精度。

技术领域

本发明涉及一种基于多材料3D打印技术的空间架构复合材料，属于复合材料技术领域。

背景技术

复合材料由碳纤维、玻璃纤维、芳烃聚酯等纤维和环氧树脂、金属基体、陶瓷基体等基体，通过物理或化学的方法制成，与金属材料相比其重量轻，还具有比强度和比刚度高等力学特点，应用于实际生活的各领域各行业之中。现代科学技术的发展离不开复合材料，同时复合材料的发展也促进了科技的快速发展，从中扮演着重要的角色。复合材料的生产规模不断扩大，应用的范围不断扩展。

网状空间结构因具有较大的比强度、比表面积、和优异的抗冲击性效果可以作为实现结构轻量化的一种途径，并广泛运用在航空航天、医疗、汽车、船舶制造领域。因此，将复合材料进行网状空间结构化设计，不仅能够保证复合材料产品满足正常的使用需求，同时还能够实现结构的轻量化设计可以节省材料成本，具有重要实际意义。

由于网状空间结构较为复杂，传统的模具加工方式难以达到加工成型要求，因此需要通过3D打印技术来实现。3D打印技术是连接材料以3D模型数据层层堆积的方式制作成实物的过程。3D打印有减少使用材料、人工成本和废材，以及更快的生产时间、定制的自由度和几何复杂度等优点。与传统制造业不同，3D打印的产品需要一体成型，而产品的各个部件往往需要承担不同的作用，需要使用多种材料。因此，多材料3D打印技术和设备为推动现代工业化中大规模精准制造提供了可能。多材料多喷嘴3D打印技术，通过使用高速压力阀实现多种不同打印材料之间的快速、连续和无缝切换。这项新技术可以应用在单个喷嘴或大型多喷嘴阵列的打印头上，实现3D打印过程中多种材料的自由切换。

多材料3D打印技术和复合材料的结合可以改善传统生产制造中对复合材料的应用，使打印的零件机械性能、物理性能更加优异，实现设计的低成本、高效、产品轻量化设计以及个性化定制。因此，采用多材料3D打印的方式实现复合材料产品的加工制造越来越广泛。

玄武岩纤维复合材料是现代工程应用中具有良好发展潜力的复合材料之一。由于玄武岩纤维复合材料具有多种优异的力学性能，其在工程应用中越来越受到欢迎。已经被广泛应用于航天工程、车辆工程、海洋工程以及建筑工程等领域之中，是各种航天器、火箭、飞机、高速列车、汽车、船舶、桥梁、道路和建筑等重要的组成材料。因此，要推广玄武岩纤维复合材料的应用领域和应用场合，必须对玄武岩纤维复合材料的内部结构和成型方式进行优化，已满足和适应社会经济发展对玄武岩纤维复合材料的高要求和高标准的需求。

公开号为CN113845756A的专利公开了一种玄武岩纤维复合材料的制备方法，其以玄武岩纤维为基体，通过电泳沉积方法使得多壁碳纳米管和石墨烯纳米片电泳沉积在玄武岩纤维上，使其形成导电网络。再将附着有多壁碳纳米管和石墨烯纳米片的玄武岩纤维表面涂覆树脂和固化剂混合液，模压制得玄武岩纤维复合材料。能够更加便捷的对制备得到的玄武岩纤维复合材料进行损伤监测，有效避免对材料造成缺陷。但该方法制备的玄武岩纤维复合材料最终为压模成型，一方面，由于模具结构相对简单，因此得到的玄武岩纤维复合材料产品结构也相对简单，无法制备空间结构复杂的玄武岩纤维复合材料产品，不能够满足市场多样化的需求。另一方面，由于压模成型可能会出现充型不良现象、毛刺现象和结合线现象等缺陷，因此难以保证玄武岩纤维复合材料成品质量。