一种连续纤维增强复合材料电磁屏蔽结构3D打印制造方法技术

一种连续纤维增强复合材料电磁屏蔽结构3D打印制造方法，先建立屏蔽结构三维模型，然后设计导电纤维路径，再修正3D导电纤维路径，然后生成屏蔽结构打印路径，最后进行3D打印制备屏蔽结构，本发明专利技术制造的屏蔽结构既具有较高的屏蔽效能，又拥有较低的密度，还具有电磁屏蔽性能和力学性能的可设计性，能够根据应用场合的需要调控该屏蔽结构的电磁屏蔽性能，同时采用的连续纤维复合材料具有很好的机械性能。

A 3D printing and manufacturing method for electromagnetic shielding structure of continuous fiber reinforced composites

A continuous fiber reinforced composite electromagnetic shielding structure 3D printing manufacturing method, to establish the three-dimensional model of shield structure, and then design the conductive fiber path, and then modified 3D conductive fiber path, and then print the path generation shielding structure, finally the shielding structure of 3D printing system, shielding structure made by the invention not only has high. It has low density, can be designed with electromagnetic shielding properties and mechanical properties, according to electromagnetic shielding performance to regulate the application of the shielding structure, continuous fiber composite material used has good mechanical properties.

【技术实现步骤摘要】
一种连续纤维增强复合材料电磁屏蔽结构3D打印制造方法
本专利技术涉及连续纤维增强复合材料3D打印
，具体涉及一种连续纤维增强复合材料电磁屏蔽结构3D打印制造方法。
技术介绍
现代社会电子通讯技术飞速发展，利用电磁波通讯的设备数量剧增，周围环境的电磁波能量密度逐年增长，而电磁辐射在一定范围内会影响到人类的日常生活和身体健康，同时也会干扰和侵害其他电子设备的正常运行，降低设备的可靠性和稳定性。存在于电子通信设备内部的电磁波也会相互干扰，致使设备自身无法正常工作。电磁屏蔽是解决上述问题最基本、有效的技术措施之一，电磁屏蔽能够在空间某个区域内，减弱由某些源引起的场强。通常是在受保护设备外部加装一些电磁屏蔽体，它会对电磁波产生衰减作用。传统的电磁屏蔽体多由金属及其合金薄板、薄片、薄网、薄带等材料制作，将其覆盖在需要防护的部件上或置于部件外侧。但该类材料密度高，总体质量大，且成本较高。金属类材料容易受到空气中水蒸气和氧气的物质的作用发生氧化产生腐蚀现象，从而加快了屏蔽体的损耗速度，缩短了使用寿命、进一步提高了制造成本。此外这种屏蔽体还存在加工性差，难以调节屏蔽性能、吸波性能差、使用不便的缺点，甚至易引起精密仪器设备内部短路，严重限制了金属材料在电磁屏蔽领域的应用。现有电磁屏蔽复合材料的制备工艺较为复杂、繁琐，制备环节较多，对各项操作步骤要求严格，制备符合屏蔽要求结构所需的材料种类多，生产成本高。同时现有复合材料制备工艺无法实现特定复杂屏蔽结构的快速制造，生产周期较长，所得复合材料的机械性能无法满足各种应用场合的需要。连续纤维复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀密度较小等优异性能，已经广泛应用于包括航空航天、国防军事、船舶、建筑、电子、能源、交通在内的各行各业，逐渐成为人类生活中不可或缺的材料。使用导电纤维作为增强相的树脂基复合材料，可以制得性能优良的电磁屏蔽体，克服了一般复合性材料电导率较低的缺点，提高了屏蔽效果，同时兼有复合材料机械性能优良的特点。目前还没有见到相关文献公开。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种连续纤维增强复合材料电磁屏蔽结构3D打印制造方法，制造的屏蔽结构既具有较高的屏蔽效能(shieldingeffectiveness,SE)，又拥有较低的密度，还具有电磁屏蔽性能和力学性能的可设计性，能够根据应用场合的需要调控该屏蔽结构的电磁屏蔽性能，同时采用的连续纤维复合材料具有很好的机械性能。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种连续纤维增强复合材料电磁屏蔽结构3D打印制造方法，包括下列步骤：1)建立屏蔽结构三维模型：依据实际需求，结合所需屏蔽部件的实际外形在计算机辅助设计软件CAD中绘制连续纤维复合材料屏蔽结构的三维模型；2)设计导电纤维路径：根据使用场合对屏蔽结构的吸收损耗(absorptionattenuation,SEa)、反射损耗(reflectionattenuation,SEr)以及总体屏蔽效能(shieldingeffectiveness,SE)的要求，设计规划屏蔽结构内部导电纤维的排布路径，为了保证屏蔽结构内部每层纤维取向的一致性，选择“矩形”的纤维填充方式，通过改变纤维方向和电场强度方向E的夹角θ来满足总体屏蔽效能的要求，夹角θ越小，屏蔽效能越高；然后使用计算机辅助工程软件CAE对设计结果进行初步仿真验证，保证屏蔽结构的使用效果；3)修正3D导电纤维路径：由于连续纤维复合材料的要求，需要原始样件一笔打印完成，进行连续不间断的材料挤出打印，每一层内以及层与层之间都应连续打印，不应出现打印间断和喷头的空走现象，从而制造出性能均匀一致的屏蔽结构，在不影响屏蔽性能的前提下对步骤2)的导电纤维路径进行修改和规划；4)生成屏蔽结构打印路径：将步骤1)建立的三维模型导入计算机辅助制造软件CAM中，根据步骤3)修正后的导电纤维路径，同时选择能够完成样件制备的扫描间距、分层厚度、打印速度的3D打印工艺参数，生成该屏蔽结构的打印命令文件；5)3D打印制备屏蔽结构：将熔融沉积制造(fuseddepositionmodeling，FDM)复合材料3D打印机和电子计算机进行连接，将步骤4)得到的打印命令文件导入到CAM软件中；选择满足导电性要求的热塑性有机高分子材料作为基体，根据步骤2)中对屏蔽效能的要求选择相适应的导电性纤维，在设置、调整好3D打印机的整体工作状况后，进行屏蔽结构的增材制造，最后得到所需的屏蔽部件。所述的步骤1)中计算机辅助设计软件CAD包括Solidworks、3DStudioMax、UnigraphicsNX或CATIA。所述的步骤2)中计算机辅助工程CAE软件包括COMSOL或CSTMICROWAVESTUDIO。所述的步骤4)中计算机辅助制造软件CAM包括ReplicatorG、Skeinforge、Slic3r或Curaengine。所述的步骤5)中热塑性有机高分子材料包括聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚醚醚酮(PEEK)或聚醚酰亚胺(PEI)以及混合有石墨烯、导电性短纤维、四氧化三铁(Fe3O4)的具有导电性、磁性物质的复合热塑性有机高分子材料，所述的导电性纤维包括碳纤维、镀镍碳纤维、镀铜碳纤维或铜线。相较于现有技术，本专利技术的有益效果如下：1)以热塑性树脂材料作为基体，以碳纤维、镀金属碳纤维以及铜线此类具有良好导电率的连续纤维作为增强体，形成连续导电通路，既提高了屏蔽结构的导电性，保证该屏蔽机构具有优良的屏蔽效能，又减轻了材料的密度；2)能在较低碳纤维含量的条件下实现高性能的电磁屏蔽效果；3)连续纤维增强树脂基复合材料具有优良的机械性能，因此本专利技术的屏蔽结构还拥有较强的力学承载能力，可作为电子设备的结构件，进而实现功能结构一体化设备器件的制造；4)利用3D打印制造的优势，能够实现特定、复杂形态屏蔽结构的快速制造；5)通过改变3D打印扫描间距、单层厚度，导电性连续纤维种类、纤维金属镀层材料，以及热塑性树脂基体实现电磁屏蔽效能和力学性能的可控设计与制造，达到功能结构一体化可控结构的集成设计制造。附图说明图1是本专利技术实施例中原始样件的三维模型示意图。图2是本专利技术实施例中屏蔽结构导电纤维的单层路径分布示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。一种连续纤维增强复合材料电磁屏蔽结构3D打印制造方法，包括以下步骤：1)建立屏蔽结构三维模型：参照图1，根据制备电磁波屏蔽性能测试件的要求，以及之后进一步制备测试件的方便，使用计算机辅助设计软件CAD的Solidworks建立45×45×5的原始样件三维模型，导出模型为stl格式的文件；2)设计导电纤维路径：根据使用场合对屏蔽结构的吸收损耗(absorptionattenuation,SEa)、反射损耗(reflectionattenuation,SEr)以及总体屏蔽效能(shieldingeffectiveness,SE)的要求，设计规划屏蔽结构内部导电纤维的排布路径，参照图2，为了保证屏蔽结构内部每层纤维取向的一致性，选择“矩形”的纤维填充方式，通过改变纤维方向和电场强度方向E的夹角θ来满足总体屏蔽效能的要求，夹角θ越小，屏蔽效能越高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种连续纤维增强复合材料电磁屏蔽结构3D打印制造方法，其特征在于，包括下列步骤：1)建立屏蔽结构三维模型：依据实际需求，结合所需屏蔽部件的实际外形在计算机辅助设计软件CAD中绘制连续纤维复合材料屏蔽结构的三维模型；2)设计导电纤维路径：根据使用场合对屏蔽结构的吸收损耗(absorption attenuation,SEa)、反射损耗(reflection attenuation,SEr)以及总体屏蔽效能(shielding effectiveness,SE)的要求，设计规划屏蔽结构内部导电纤维的排布路径，为了保证屏蔽结构内部每层纤维取向的一致性，选择“矩形”的纤维填充方式，通过改变纤维方向和电场强度方向E的夹角θ来满足总体屏蔽效能的要求，夹角θ越小，屏蔽效能越高；然后使用计算机辅助工程软件CAE对设计结果进行初步仿真验证，保证屏蔽结构的使用效果；3)修正3D导电纤维路径：由于连续纤维复合材料的要求，需要原始样件一笔打印完成，进行连续不间断的材料挤出打印，每一层内以及层与层之间都应连续打印，不应出现打印间断和喷头的空走现象，从而制造出性能均匀一致的屏蔽结构，在不影响屏蔽性能的前提下对步骤2)的导电纤维路径进行修改和规划；4)生成屏蔽结构打印路径：将步骤1)建立的三维模型导入计算机辅助制造软件CAM中，根据步骤3)修正后的导电纤维路径，同时选择能够完成样件制备的扫描间距、分层厚度、打印速度的3D打印工艺参数，生成该屏蔽结构的打印命令文件；5)3D打印制备屏蔽结构：将熔融沉积制造(fused deposition modeling，FDM)复合材料3D打印机和电子计算机进行连接，将步骤4)得到的打印命令文件导入到CAM软件中；选择满足导电性要求的热塑性有机高分子材料作为基体，根据步骤2)中对屏蔽效能的要求选择相适应的导电性纤维，在设置、调整好3D打印机的整体工作状况后，进行屏蔽结构的增材制造，最后得到所需的屏蔽部件。...

【技术特征摘要】
1.一种连续纤维增强复合材料电磁屏蔽结构3D打印制造方法，其特征在于，包括下列步骤：1)建立屏蔽结构三维模型：依据实际需求，结合所需屏蔽部件的实际外形在计算机辅助设计软件CAD中绘制连续纤维复合材料屏蔽结构的三维模型；2)设计导电纤维路径：根据使用场合对屏蔽结构的吸收损耗(absorptionattenuation,SEa)、反射损耗(reflectionattenuation,SEr)以及总体屏蔽效能(shieldingeffectiveness,SE)的要求，设计规划屏蔽结构内部导电纤维的排布路径，为了保证屏蔽结构内部每层纤维取向的一致性，选择“矩形”的纤维填充方式，通过改变纤维方向和电场强度方向E的夹角θ来满足总体屏蔽效能的要求，夹角θ越小，屏蔽效能越高；然后使用计算机辅助工程软件CAE对设计结果进行初步仿真验证，保证屏蔽结构的使用效果；3)修正3D导电纤维路径：由于连续纤维复合材料的要求，需要原始样件一笔打印完成，进行连续不间断的材料挤出打印，每一层内以及层与层之间都应连续打印，不应出现打印间断和喷头的空走现象，从而制造出性能均匀一致的屏蔽结构，在不影响屏蔽性能的前提下对步骤2)的导电纤维路径进行修改和规划；4)生成屏蔽结构打印路径：将步骤1)建立的三维模型导入计算机辅助制造软件CAM中，根据步骤3)修正后的导电纤维路径，同时选择能够完成样件制备的扫描间距、分层厚度、打印速度的3D打印工艺参数，生成该屏蔽结构的打印命令文件；5)3D打印制备屏蔽结构：将熔融沉积制造(fuseddeposition...

【专利技术属性】
技术研发人员：田小永，尚振涛，尹丽仙，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61