一种纤维增强复合材料3D打印辅助成型方法技术

一种纤维增强复合材料3D打印辅助成型方法，将FDM 3D打印成型与连续纤维复合材料成型方法结合，以FDM 3D成型零件作为成型模，通过预浸料‑真空袋压复合材料成型方式在上述零件表面完成预浸料的铺层及辅助材料的铺置，并在一定温度和压力的作用下完成预浸料的固化，移除支撑材料并清洗、干燥。通过协同FDM 3D打印成型的灵活性、高精度及复合材料轻质高强的优点，解决前者强度小、后者成型后脱模困难的缺点，完成复杂结构的纤维增强复合材料制件成型。

3D printing auxiliary forming method for fiber reinforced composite material

Composite material 3D printing auxiliary forming method of fiber reinforced, combining the FDM 3D printing and continuous fiber composite material forming method, using FDM 3D as molding parts mold, the prepreg vacuum bag molding of composite materials in the parts of the surface finish of the prepreg layer and auxiliary material laying, and at a certain temperature and pressure to complete the prepregs, removing the support material and cleaning and drying. The FDM 3D collaborative printing forming flexibility, high precision and high strength lightweight composite material has the advantages of the former, solve the difficulty of stripping the intensity is small, after forming defects, complex structure of fiber reinforced composite molding.

【技术实现步骤摘要】
一种纤维增强复合材料3D打印辅助成型方法
本专利技术纤维增强复合材料成型领域，具体涉及一种纤维增强复合材料3D打印辅助成型方法。
技术介绍
纤维增强高分子复合材料是一种以高分子树脂为基体，以纤维为增强体形成的多相复合材料，由于其具有高比强度、高比模量、铺层的可设计性材料、成型和结构成型同步完成及整体化成型等诸多优点在航空、航天、军用装备、汽车等需要轻量化领域得到越来越广泛的应用。预浸料-真空袋压成型是纤维增强高分子复合材料重要的成型方式之一，在成型方式中需要模具来确保制件内部的致密度、外部尺寸精度及表面质量，然而对于复杂结构的制件，复合材料制件的脱模困难，经常需要借助外力，必然会对制件产生一定的损伤，降低了制件的力学性能，缩短其使用寿命。3D打印技术属于快速成型技术，具有灵活的设计自由度,实现了复杂形状零件的快速而精密地制造,解决了许多采用传统工艺难以制造的复杂结构零件的加工成形,减少工装，简化加工工序,缩短了加工周期,大大推动产品的一体化成型制造和高端航空航天精密精细化的发展。FDM(熔融沉积打印)3D打印成型是增材制造中一类重要的成型方式，具体为将丝状的热熔性材料加热熔化,再通过微细喷嘴的喷头挤压出工件的横截面轮廓,依据电脑切片软件得出的生成路径图，喷头在工作台上的往复运动,逐层形成薄片，重复这个过程,便可生产出最终产品。针对复杂结构的纤维增强复合材料制件成型，本专利技术将FDM3D打印成型与连续纤维复合材料成型方法结合，以FDM3D成型零件作为成型模，通过预浸料-真空袋压复合材料成型方式，在上述零件表面完成预浸料的铺层及辅助材料的铺置，并在一定温度和压力的作用下完成预浸料的固化。通过协同FDM3D打印成型的灵活性、高精度及复合材料轻质高强的优点，实现纤维增强复合材料的无模具化制造，避免脱模引起的复合材料制件性能的下降。
技术实现思路
本专利技术为了解决利用复合材料制作复杂结构的制件时，脱模困难，借助外力又会对制件产生一定的损伤，降低制件力学性能、缩短使用寿命的缺陷，提供了一种纤维增强复合材料3D打印辅助成型方法。本专利技术通过将FDM3D打印成型与连续纤维复合材料成型方法结合，以FDM3D成型零件作为成型模，通过预浸料-真空袋压复合材料成型方式，在上述零件表面完成预浸料的铺层及辅助材料的铺置，并在一定温度和压力的作用下完成预浸料的固化。通过协同FDM3D打印成型的灵活性、高精度及复合材料轻质高强的优点，实现纤维增强复合材料的无模具化制造，避免脱模引起的复合材料制件性能的下降。本专利技术是通过以下技术方案实现的：(1)FDM3D打印成型依据最终制件的三维图，通过切片软件获得最终制件的生成路径图，设置3D打印机的打印参数，并依据最终制件的结构选择支撑材料、支撑形式，开启3D打印机，启动打印程序，3D打印机运行，获得与支撑材料结合的3D打印零件；(2)零件表面粗糙化处理对步骤(1)中获得的3D打印零件去除3D打印零件内表面或者外表面的支撑材料，然后通过喷砂机对外表面或者内表面进行粗糙化处理，并对处理后的表面碎屑进行清理；(3)预浸料及辅助材料的铺贴在步骤(2)获得的3D打印零件粗化表面，按设计铺层顺序，铺层包括逐层依次铺贴的胶膜、预浸料、脱模布、隔离膜、透气毡、真空袋膜，密封铺设层周边并预留真空导入口，并移入烘箱中；(4)预浸料-真空袋压成型对步骤(3)获得的3D打印零件的铺设层进行抽真空预压实，真空压力为0.090～0.098Mpa,并在50～60℃条件下保温保压1～2h，之后在不高于3℃/min升温速率下，升温至130℃,并保温2h，所述预浸料完全固化后，开始降温，在降温过程中，保持真空压力至温度降至60℃以下，依次移除真空袋膜、透气毡、隔离膜、脱模布；(5)移除支撑材料将步骤(4)获得的3D打印零件放入装有NaOH溶液的超声清洗机中进行超声清洗,直至完全移除3D打印零件的支撑材料；(6)清洗与干燥将步骤(5)中的3D打印零件用水清洗干净，并自然晾干获得最终制件。本专利技术的有益效果包括：1、通过物理方法对3D打印零件表面粗糙化处理，提高其表面粗糙度，增强其与胶膜机械咬合力，同时增大其和胶膜的结合面，实现其与预浸料之间粘接强度的大幅增强。2、通过水溶性材料作为支撑结构的应用，满足了纤维预浸料在一定的温度和压力固化时的尺寸稳定性。3、通FDM3D成型零件作为成型模，结合预浸料-真空袋压复合材料成型方式完成预浸料固化后的制件无需脱除模具，避免了脱模造成制件的力学性能下降，同时也缩短了制备周期。附图说明图1为本专利技术技术方案流程图。图2为实施例1中无人机副翼的肋三维图。图3为实施例1支撑材料结合的3D打印出来的肋，其中白色的部分为3D打印件本体材料，黑色为支撑材料；。图4为实施例1去除外表面支撑材料的肋。图5为实施例1玻璃纤维增强的3D打印肋制件。图6为实施例2碳纤维增强的3D打印肋制件。图7为实施例3碳纤维增强的3D打印肋制件。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1：本实施例提供一种纤维增强复合材料3D打印辅助成型方法例，其结构示意图如图2中所示。具体的技术解决方案如下：(1)FDM3D打印成型依据无人机副翼肋的三维图，通过Cura切片软件得出零件的生成路径图，设置打印参数(层厚0.1，速度35mm/s，喷嘴温度195°，热床60°)，并依据零件结构选择选用ABS丝材作为主体材料，聚乙烯醇丝材作为支撑材料，采用实芯结构作为支撑形式，开启3D打印机，启动打印程序，3D打印机运行，获得与支撑材料结合的3D打印零件，如图3所示。通过聚乙烯醇丝材作为支撑材料的应用，满足了纤维预浸料在一定的温度和压力固化时的尺寸稳定性。(2)零件表面粗糙化处理如图4所示，对步骤(1)中获得的肋采用物理的方法进行粗糙化处理，首先去除肋外表面的支撑材料，通过喷砂机对外表面进行粗糙化处理，清理处理后的表面碎屑，最后通过乙醇溶剂进行表面清洗。粗糙化处理，提高了肋表面粗糙度，增强其与胶膜机械咬合力，同时增大其和胶膜的结合面，实现其与预浸料之间粘接强度的大幅增强。(3)预浸料及辅助材料的铺贴在步骤(2)获得的肋外表面，按设计顺序逐层依次铺贴一层环氧树脂胶膜、三层厚度0.2mm的玻璃纤维环氧树脂预浸料、脱模布、隔离膜、透气毡，最后加盖一层真空袋膜，密封周边并预留真空导入口，并移入烘箱中。(4)预浸料-真空袋压成型对上述铺设层进行抽真空预压实，真空压力0.095Mpa,并在55℃条件下保温保压2h，之后2℃/min升温速率下，升温至130℃,并保温2h，预浸料完全固化后，开始降温，在降温过程中，保持真空压力至温度降至40℃，依次移除真空袋膜、透气毡、隔离膜、脱模布。(5)移除支撑材料将步骤(4)获得的纤维增强3D打印肋放入装有0.5mol/LNaOH溶液的超生清洗机，进行超生清洗2h，直至能够完全移除内部支撑材料。(6)清洗与干燥将步骤(5)中的纤维增强3D打印肋用水清洗干净，并自然晾干获得最终制件(图5)。实施例2：本实施例提供一种纤维增强复合材料3D打印辅助成型方法例，具体的技术解决方案如下：(1)FD本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纤维增强复合材料3D打印辅助成型方法，其特征在于，具体的步骤如下：(1)FDM 3D打印成型依据最终制件的三维图，通过切片软件获得最终制件的生成路径图，设置3D打印机的打印参数，并依据最终制件的结构选择支撑材料、支撑形式，开启3D打印机，启动打印程序，3D打印机运行，获得与支撑材料结合的3D打印零件；(2)零件表面粗糙化处理对步骤(1)中获得的3D打印零件采用物理方法进行粗糙化处理；(3)预浸料及辅助材料的铺贴在步骤(2)获得的3D打印零件粗化表面，按设计铺层顺序，铺层包括逐层依次铺贴的胶膜、预浸料、脱模布、隔离膜、透气毡、真空袋膜，密封铺设层周边并预留真空导入口，并移入烘箱中；(4)预浸料‑真空袋压成型对步骤(3)获得的3D打印零件的铺设层进行抽真空预压实，真空压力为0.090～0.098Mpa,并在50～60℃条件下保温保压1～2h，之后在不高于3℃/min升温速率下，升温至130℃,并保温2h，所述预浸料完全固化后，开始降温，在降温过程中，保持真空压力至温度降至60℃以下，依次移除真空袋膜、透气毡、隔离膜、脱模布；(5)移除支撑材料将步骤(4)获得的3D打印零件放入装有浓度为0.1～1mol/L NaOH溶液的超声清洗机中进行超声清洗,直至完全移除3D打印零件外部的支撑材料；(6)清洗与干燥将步骤(5)中的3D打印零件用水清洗干净，并自然晾干获得最终制件。...

【技术特征摘要】
1.一种纤维增强复合材料3D打印辅助成型方法，其特征在于，具体的步骤如下：(1)FDM3D打印成型依据最终制件的三维图，通过切片软件获得最终制件的生成路径图，设置3D打印机的打印参数，并依据最终制件的结构选择支撑材料、支撑形式，开启3D打印机，启动打印程序，3D打印机运行，获得与支撑材料结合的3D打印零件；(2)零件表面粗糙化处理对步骤(1)中获得的3D打印零件采用物理方法进行粗糙化处理；(3)预浸料及辅助材料的铺贴在步骤(2)获得的3D打印零件粗化表面，按设计铺层顺序，铺层包括逐层依次铺贴的胶膜、预浸料、脱模布、隔离膜、透气毡、真空袋膜，密封铺设层周边并预留真空导入口，并移入烘箱中；(4)预浸料-真空袋压成型对步骤(3)获得的3D打印零件的铺设层进行抽真空预压实，真空压力为0.090～0.098Mpa,并在50～60℃条件下保温保压1～2h，之后在不高于3℃/min升温速率下，升温至130℃,并保温2h，所述预浸料完全固化后，开始降温，在降温过程中，保持真空压力至温度降至60℃以下，依次移除真空袋膜、透气毡、隔离膜、脱模布；(5)移除支撑材料将步骤(4)获得的3D打印零件放入装有浓度为0.1～1mol/LNaOH溶液的超声清洗机中进行超声清洗,直至完全移除3D打印零件外部的支撑材料；(6)清洗与干燥将步骤(5)中的3D打印零件用水清洗干净，并自然晾干获得最终制件。2.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料3D打印辅助成型方法，其特征在于，步骤(1)中所述的支撑材料为水溶性的高分子材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：周海峰，鞠金山，邱颖霞，黄钊，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十八研究所，
类型：发明
国别省市：安徽,34