一种基于连续纤维表面改性的金属基复合材料3D打印方法技术

技术编号:17999536 阅读:78 留言:0更新日期:2018-05-20 21:44
一种基于连续纤维表面改性的金属基复合材料3D打印方法,先将连续纤维表面镀上金属层得到镀层连续纤维,镀层连续纤维被从纤维丝盘中引出,进入助焊剂容器中附着上助焊剂,再进入口模中处理得到均匀附着助焊剂的连续纤维;从金属丝盘中牵引出金属丝,和均匀附着助焊剂的连续纤维一起送入连续纤维增强复合材料打印机中,助焊剂在3D打印机熔融腔中熔化,消除镀层连续纤维表面金属的氧化层,镀层连续纤维与液态金属基体相浸润,一起从喷嘴中挤出,在润湿力的作用下,液态金属基体均匀的附着在镀层连续纤维上并连续流出,然后通过层层叠加,形成零件;本发明专利技术提高了连续纤维增强金属基复合材料3D打印的可行性以及打印分辨率,提高了零件的力学性能。

A 3D printing method for metal matrix composites based on surface modification of continuous fibers

Based on the surface modification of continuous fiber, a 3D printing method of metal matrix composite material is made. The continuous fiber is first plated on the surface of the continuous fiber to get the continuous fiber. The continuous fiber is extracted from the fiber wire, and the flux is attached to the flux container, then the continuous fiber is processed to get the continuous fiber attached to the flux. In a continuous fiber reinforced composite printer, a continuous fiber in a 3D printer is fused into a continuous fiber reinforced composite printer. The flux is melted in the molten cavity of the surface of the coating on the surface of the coating to remove the oxide layer on the surface of the surface of the continuous fiber, and the continuous fiber is infiltrated with the liquid metal matrix. In the mouth, the liquid metal matrix is uniformly attached to the continuous fiber of the coating and flowing out continuously under the action of the wetting force, and then the parts are formed by layer stacking. The invention improves the feasibility of 3D printing of the continuous fiber reinforced metal matrix composite and the printing resolution, and improves the mechanical properties of the parts.

【技术实现步骤摘要】
一种基于连续纤维表面改性的金属基复合材料3D打印方法
本专利技术涉及复合材料3D打印
,具体涉及一种基于连续纤维表面改性的金属基复合材料3D打印方法。
技术介绍
连续纤维增强复合材料的3D打印方法一般是指,在特制的喷头内将复合材料的基体熔化,并与连续纤维进行充分混合,在三维运动机械系统的精密控制下,从喷嘴处挤出并沉积在底板或上一层复合材料上,层层累积形成具有复杂形状的纤维增强复合材料零件。该3D打印方法成本低、效率高,可以制造具有复杂形状的复合材料零件,调节纤维的密度和分布,对于传统复合材料零件的制造具有重大意义,已经逐渐成为研究的热点和未来3D打印的发展方向之一。连续纤维增强金属基复合材料是一种具有高比强度、高比模量、高耐磨性、低热膨胀系数、低密度等性能,耐腐蚀、抗蠕变、抗疲劳的结构功能材料,被大量应用于航空、航天、汽车、电子等领域,然而传统的连续纤维增强金属基复合材料制备通常需要高温、高压以及气氛保护等条件,不仅使设备的成本高昂,还导致纤维和基体间发生的界面反应更严重,使纤维受到损伤,同时生成较脆的化合物,严重损害了复合材料的机械性能。现阶段,连续纤维增强复合材料的3D使用的基体材料主要为热塑性树脂,如PLA、PA、PEEK、PEI等,连续纤维增强金属基复合材料由于其较大的表面张力,与纤维较差的润湿性,难以通过3D打印实现制造,其技术瓶颈如下:1)金属熔液的表面张力通常有几百乃至上千达因/厘米,较大的表面张力使其与碳纤维、陶瓷纤维等常见纤维的润湿性较差甚至不发生润湿,最终导致打印过程中金属熔液不是均匀的附着在纤维表面,而是在内聚力作用下形成较大的液滴,无法打印出满足精度要求的零件。2)在打印块的熔融腔内,由于纤维单丝之间孔隙的毛细管力不能克服液态金属的内聚力,金属熔液只能通过物理结合附着在纤维束的外表面,而难以进入到纤维单丝之间,不能形成良好的界面,导致纤维无法起到应有的增强作用,使金属基复合材料的物理性能受到严重影响。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的缺点,本专利技术的目的在于提供一种基于连续纤维表面改性的金属基复合材料3D打印方法,提高了连续纤维增强金属基复合材料3D打印的可行性以及打印分辨率,提高了零件的力学性能。为了达到上述目的,本专利技术采用的技术方案为:一种基于连续纤维表面改性的金属基复合材料3D打印方法,包括以下步骤:步骤一、将连续纤维表面均匀的镀上一层金属层得到镀层连续纤维1,并且使纤维单丝之间保持分离;步骤二、将镀层连续纤维1被从纤维丝盘2中引出,通过第三橡胶轮3进入助焊剂容器4中,绕过第一橡胶轮5,附着上不均匀的助焊剂6,再进入口模7中,利用弹簧8调节第二橡胶轮9的压力,得到均匀附着助焊剂的连续纤维10;步骤三、从金属丝盘12中牵引出金属丝11,和均匀附着助焊剂的连续纤维10一起送入连续纤维增强复合材料3D打印机13中;步骤四、均匀附着助焊剂的连续纤维10表面的助焊剂6在3D打印机熔融腔中熔化,消除镀层连续纤维1表面金属的氧化层,镀层连续纤维1与液态金属基体相浸润,一起从喷嘴中挤出,在润湿力的作用下,液态金属基体均匀的附着在镀层连续纤维1上并连续流出,然后通过层层叠加,形成所需零件。所述的步骤一中的连续纤维是金属纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维或玻璃纤维。所述的步骤一中的金属层为Cu镀层或Ni镀层。所述的步骤一中的金属层的厚度为0.2~3μm。所述的步骤二、四中助焊剂6是以松香、乳酸、柠檬酸、氯化锌、氟化物为基础的液态或糊状助焊剂。所述的步骤三中金属丝11为Mg、Al、Zn、Cu、Bi、Sn、Pb或In基合金。本专利技术的有益效果为:本专利技术在3D打印中采用金属镀层来提高连续纤维与金属基体的润湿性,并利用助焊剂来消除连续纤维表面镀层金属的氧化层,降低金属熔液的表面张力,阻止氧化的进一步发生,从而克服金属熔液和镀层连续纤维由于氧化所带来的不润湿现象,使金属熔液能有效附着在纤维表面,并渗入纤维单丝之间,形成良好的界面,从而极大地提高了金属基复合3D打印的打印分辨率以及精度。附图说明图1是本专利技术的流程图。图2为实施例1连续纤维和金属基体结合处的微观形貌图。图3为实施例2连续纤维和金属基体结合处的微观形貌图。图4为实施例3连续纤维和金属基体结合处的微观形貌图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。实施例1:参照图1,一种基于连续纤维表面改性的Cf/Sn63Pb37复合材料的3D打印方法,包括以下步骤:步骤一、将连续纤维表面均匀的镀上一层金属层得到镀层连续纤维1,并且使纤维单丝之间保持分离,连续纤维为碳纤维,金属层为Cu层,厚度为3μm;步骤二、将镀层连续纤维1被从纤维丝盘2中引出,通过第三橡胶轮3进入助焊剂容器4中,绕过第一橡胶轮5,附着上不均匀的助焊剂6,再进入口模7中,利用弹簧8调节第二橡胶轮9的压力,得到均匀附着助焊剂的连续纤维10,助焊剂6为松香类糊状助焊剂;步骤三、从金属丝盘12中牵引出金属丝11,和均匀附着助焊剂的连续纤维10一起送入连续纤维增强复合材料3D打印机13中,金属丝11为Sn63Pb37合金丝;步骤四、均匀附着助焊剂的连续纤维10表面的助焊剂6在3D打印机熔融腔中熔化,消除镀层连续纤维1表面金属的氧化层,镀层连续纤维1与液态金属基体相浸润,一起从喷嘴中挤出,在润湿力的作用下,液态金属基体均匀的附着在镀层连续纤维1上并连续流出,然后通过层层叠加,形成所需Cf/Sn63Pb37复合材料零件。本实施例连续纤维和金属基体结合处的微观形貌如图2所示,从图中可以看出连续纤维和Sn63Pb37结合紧密,界面处没有明显的裂纹,熔融Sn63Pb37完全浸润到纤维单丝之间,这说明金属熔液能有效附着在纤维表面,并渗入纤维单丝之间,并形成了良好的界面。实施例2:参照图1,一种基于连续纤维表面改性的Nif/Sn99.3Cu0.7复合材料的3D打印方法,包括以下步骤:步骤一、将连续纤维表面均匀的镀上一层金属层得到镀层连续纤维1,并且使纤维单丝之间保持分离,连续纤维为碳纤维,金属层为Ni层,厚度为0.2μm;步骤二、将镀层连续纤维1被从纤维丝盘2中引出,通过第三橡胶轮3进入助焊剂容器4中,绕过第一橡胶轮5,附着上不均匀的助焊剂6,再进入口模7中,利用弹簧8调节第二橡胶轮9的压力,得到均匀附着助焊剂的连续纤维10,助焊剂6为松香类液态助焊剂;步骤三、从金属丝盘12中牵引出金属丝11,和均匀附着助焊剂的连续纤维10一起送入连续纤维增强复合材料3D打印机13中,金属丝11为Sn99.3Cu0.7合金丝;步骤四、均匀附着助焊剂的连续纤维10表面的助焊剂6在3D打印机熔融腔中熔化,消除镀层连续纤维1表面金属的氧化层,镀层连续纤维1与液态金属基体相浸润,一起从喷嘴中挤出,在润湿力的作用下,液态金属基体均匀的附着在镀层连续纤维1上并连续流出,然后通过层层叠加,形成所需Nif/Sn99.3Cu0.7复合材料零件。本实施例连续纤维和金属基体结合处的微观形貌如图3所示,从图中可以看出连续纤维和Sn99.3Cu0.7结合紧密,界面处没有明显的裂纹,熔融Sn99.3Cu0.7完全浸润到纤维单丝之间,这说明金属熔液能有效附着在纤维表面,并渗入纤维单丝之间,并形成了良好的界面。实施例3:本文档来自技高网
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一种基于连续纤维表面改性的金属基复合材料3D打印方法

【技术保护点】
一种基于连续纤维表面改性的金属基复合材料3D打印方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一、将连续纤维表面均匀的镀上一层金属层得到镀层连续纤维(1),并且使纤维单丝之间保持分离;步骤二、将镀层连续纤维(1)被从纤维丝盘(2)中引出,通过第三橡胶轮(3)进入助焊剂容器(4)中,绕过第一橡胶轮(5),附着上不均匀的助焊剂(6),再进入口模(7)中,利用弹簧(8)调节第二橡胶轮(9)的压力,得到均匀附着助焊剂的连续纤维(10);步骤三、从金属丝盘(12)中牵引出金属丝(11),和均匀附着助焊剂的连续纤维(10)一起送入连续纤维增强复合材料3D打印机(13)中;步骤四、均匀附着助焊剂的连续纤维(10)表面的助焊剂(6)在3D打印机熔融腔中熔化,消除镀层连续纤维(1)表面金属的氧化层,镀层连续纤维(1)与液态金属基体相浸润,一起从喷嘴中挤出,在润湿力的作用下,液态金属基体均匀的附着在镀层连续纤维(1)上并连续流出,然后通过层层叠加,形成所需零件。

【技术特征摘要】
1.一种基于连续纤维表面改性的金属基复合材料3D打印方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一、将连续纤维表面均匀的镀上一层金属层得到镀层连续纤维(1),并且使纤维单丝之间保持分离;步骤二、将镀层连续纤维(1)被从纤维丝盘(2)中引出,通过第三橡胶轮(3)进入助焊剂容器(4)中,绕过第一橡胶轮(5),附着上不均匀的助焊剂(6),再进入口模(7)中,利用弹簧(8)调节第二橡胶轮(9)的压力,得到均匀附着助焊剂的连续纤维(10);步骤三、从金属丝盘(12)中牵引出金属丝(11),和均匀附着助焊剂的连续纤维(10)一起送入连续纤维增强复合材料3D打印机(13)中;步骤四、均匀附着助焊剂的连续纤维(10)表面的助焊剂(6)在3D打印机熔融腔中熔化,消除镀层连续纤维(1)表面金属的氧化层,镀层连续纤维(1)与液态金属基体相浸润,一起从喷嘴中挤出,在润湿力的作用下,液态金属基体均匀的附着在镀层连续纤维(1)上并连续流出,然后通...

【专利技术属性】
技术研发人员:田小永汪鑫李涤尘
申请(专利权)人:西安交通大学
类型:发明
国别省市:陕西,61

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