一种连续纤维复合材料结构件原位增材制造方法技术

本发明专利技术公开了一种连续纤维复合材料结构件原位增材制造方法，打印步骤如下：(1)根据目标结构进行结构设计，确定支撑结构和本体结构；(2)XY轴运动单元带动热塑性材料挤出机构在成型托板上打印支撑结构；(3)XY轴运动单元带动连续纤维送料机构在步骤(2)打印完成的支撑结构表面上打印连续纤维，通过旋转机构带动支撑结构转动实现连续纤维的缠绕；(4)打印完一层连续纤维，翻转机构带动支撑结构摆动设定角度，XY轴运动单元带动连续纤维送料机构打印下一层连续纤维，通过旋转机构带动支撑结构转动实现连续纤维的缠绕；(5)重复步骤(4)完成结构件打印，去除支撑结构；本发明专利技术方法制造过程简单，并且有效提高打印结构件的强度。

【技术实现步骤摘要】
一种连续纤维复合材料结构件原位增材制造方法
本专利技术涉及连续纤维复合材料制造
，特别涉及一种连续纤维复合材料结构件原位增材制造方法。
技术介绍
碳纤维作为国家发展的战略性材料，具有高强度、高刚度、低比重、耐摩擦磨损、可循环回收使用等优异的特性，是新一代高性能轻量化的先进材料，由其制成的复合材料在汽车船舶、航空航天、轨道交通、医疗器械等领域具有重要应用前景。但传统碳纤维复合材料结构件面临制造工艺复杂、生产周期较长、往往需要模具和难以实现复杂结构制造的难题。近年来，新兴起的增材制造技术为连续纤维复合材料制造提供了一种全新的技术手段。如申请号为ZL2014103256503的中国专利文献公开了一种连续长纤维增强复合材料3D打印机及其打印方法；公开号为CN107127972A的中国专利文献公开了一种连续纤维增强复合材料增材制造喷头及打印机；公开号为CN106493946A的中国专利文献公开了一种适用于连续纤维增强复合材料增材制造的喷头。上述方法和装置重点解决了如何实现连续碳纤维热塑性材料混合与打印的问题，但由于增材制造技术层层叠加的工艺特点，导致连续纤维复合材料在打印方向上的力学性能较差，是制约增材制造连续纤维复合材料结构件进一步广泛应用的关键问题。此外，与传统增材制造技术相比(如热塑性材料熔融沉积成型、金属粉末激光烧结、树脂光固化等，打印过程中材料是液态或粉末状)，连续纤维复合材料增材制造过程具有其特殊性：由于纤维是连续的，对打印路径有极高的要求，从而导致现有技术在复杂结构件的制造中存在一定的局限性。
技术实现思路
本专利技术提供了一种连续纤维复合材料结构件原位增材制造方法，可实现复杂连续纤维复合材料结构件的增材制造，特别是连续纤维复合材料壳体的原位增材制造。一种连续纤维复合材料结构件原位增材制造方法，采用的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备包括：工作台；Z轴运动单元，安装在工作台上；打印平台，安装在Z轴运动单元的动力输出端上；XY轴运动单元，安装在工作台上；热塑性材料挤出机构和连续纤维送料机构，安装在XY运动单元的动力输出端上且位于所述打印平台上方；所述打印平台包括：安装架，与所述Z轴运动单元的动力输出端连接；翻转机构，装在安装架上；旋转机构，安装在所述翻转机构上，旋转轴垂直翻转轴；成型托板，安装在旋转机构上；打印步骤如下：(1)根据目标结构进行结构设计，确定支撑结构和本体结构；(2)XY轴运动单元带动热塑性材料挤出机构在成型托板上打印支撑结构；(3)XY轴运动单元带动连续纤维送料机构在步骤(2)打印完成的支撑结构表面上打印连续纤维，通过旋转机构带动支撑结构转动实现连续纤维的缠绕；(4)打印完一层连续纤维，翻转机构带动支撑结构摆动设定角度，XY轴运动单元带动连续纤维送料机构打印下一层连续纤维，通过旋转机构带动支撑结构转动实现连续纤维的缠绕使相邻层的连续纤维之间具有夹角；(5)重复步骤(4)完成结构件打印，根据需要确定是否去除支撑结构。本专利技术通过特定的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备进行打印，可以方便快速地完成连续纤维热塑性材料结构件的打印且打印得到的结构件强度更好。本专利技术只需翻转机构控制成型托板小幅度摆动，即可以实现上下层连续纤维之间形成夹角，从而实现结构件强度可调可控。为了便于去除支撑结构，优选的，步骤(2)中，支撑材料为水溶性材料，如聚乙烯醇PVAL水溶性材料、丙烯酸AA类共聚物水溶性材料等。将整个结构件置于溶液中即可实现支撑结构的去除而直接获得最终结构件。为了提高产品的质量，优选的，还包括步骤(6)，XY轴运动单元带动热塑性材料挤出机构在最外层的连续纤维层外打印一层结构件外轮廓。为了使打印的结构件连接更牢固，强度更好，优选的，步骤(4)中，XY轴运动单元带动连续纤维送料机构打印下一层连续纤维前，先加热上一层连续纤维表面。由于本申请是通过缠绕打印，与目前的热塑性材料熔融沉积成型打印不同，本申请的连续纤维在打印时与已经打印的部分相互连接，此时加热已打印部分可以提高连接的牢固程度，提高结构件的强度。为了便于加工和制造，优选的，步骤(4)中，通过所述连续纤维送料机构的喷头上自带的热气流出口对上一层连续纤维表面加热。为了便于制造，相邻层的连续纤维之间的夹角不宜过大，优选的，步骤(4)中，夹角角度为5°～45°。为了配合本专利技术方法，使连续纤维送料更顺利，与热塑性材料的混合效果越好，打印效果更好，优选的，所述连续纤维送料机构包括：安装座，安装在XY运动单元的动力输出端上；热塑性材料送料单元，固定在安装座上；为了稳定送料，优选采用齿轮副送料方式；热塑性材料送料单元的驱动动力源采用步进电机。连续纤维送料单元，固定在安装座上；加热混合单元，连接所述热塑性材料送料单元和连续纤维送料单元用于连续纤维和热塑性材料融合，底部设有出料口；混合喷头，与所述出料口连接。根据连续纤维规格，如每束纤维所含的细丝数目，选择不同喷嘴直径的混合喷头。为了配合本专利技术方法，提高打印效果，优选的，所述混合喷头包括：纤维通道，一端与所述出料口连通，另一端为喷口；热气流环形腔体，设置在所述纤维通道外壁靠近喷口的位置，带有进气口以及出气口。上述结构可以在混合喷头的位置对纤维和热塑性材料进一步加热，与之前已打印的结构更易粘连，打印效果更好。为了配合本专利技术方法，进一步提高打印效果，优选的，所述热气流环形腔体靠近所述喷口的一端开设环形的出气口。热气流在靠近所述喷口的位置出气，可以对正在打印的部分进行加热，提高结合效果。为了配合本专利技术方法，进一步提高打印效果，优选的，所述热气流环形腔体的高度和纤维通道的长度之比为1：2～2：3。为了配合本专利技术方法，避免发生干涉问题，优选的，所述XY轴运动单元的X轴上设有两个动力输出端，分别装有热塑性材料挤出机构和连续纤维送料机构。为了配合本专利技术方法，提高运行稳定性，优选的，所述XY轴运动单元采用滚珠丝杠结构，采用驱动电机作为动力源。为了配合本专利技术方法，提高连续纤维送料机构运动的灵活性，优选的，所述连续纤维送料机构还包括安装在所述XY轴运动单元的动力输出端上的升降单元，所述安装座固定在该升降单元的动力输出端上。为了配合本专利技术方法，使纤维和热塑性材料可以进行有效地混合，优选的，所述加热混合单元包括：加热块，内部设有两进一出的混合通道；热电偶，为加热块提供热源；温敏电阻，检测并控制加热块的温度；第一喉管，连接加热块和热塑性材料送料单元，是热塑性材料通道；第二喉管，连接加热块和连续纤维送料单元，是连续纤维通道；第一散热风扇，安装在第一喉管上；防止加热块温度上传，导致热塑性材料丝材在喉管内软化而堵塞喉管；第二散热风扇，安装在第二喉管上。冷却第二喉管，防止加热块内的热塑性材料沿第二喉管内部通道溢出。为了配合本专利技术方法，进一步提高打印效果，优选的，所述连续纤维送料机构还包括固定在安装座上的冷却风扇。加快已打印连续纤维热塑性材料的冷却速度。为了配合本专利技术方法，实现热塑性材料的有效打印，优选的，所述热塑性材料挤出机构包括：挤出结构，优选采用齿轮副送料方式；挤出结构驱动动力源，优选采用步进电机；加热块，加热热塑性材料丝材至熔融状态；热电偶，为加热块提供热源；温敏电阻，检测并控制加热块的温度；喷头，安装在加热块下端，可根据需要本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连续纤维复合材料结构件原位增材制造方法，其特征在于，采用的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备包括：工作台；Z轴运动单元，安装在工作台上；打印平台，安装在Z轴运动单元的动力输出端上；XY轴运动单元，安装在工作台上；热塑性材料挤出机构和连续纤维送料机构，安装在XY运动单元的动力输出端上且位于所述打印平台上方；所述打印平台包括：安装架，与所述Z轴运动单元的动力输出端连接；翻转机构，装在安装架上；旋转机构，安装在所述翻转机构上，旋转轴垂直翻转轴；成型托板，安装在旋转机构上；打印步骤如下：(1)根据目标结构进行结构设计，确定支撑结构和本体结构；(2)XY轴运动单元带动热塑性材料挤出机构在成型托板上打印支撑结构；(3)XY轴运动单元带动连续纤维送料机构在步骤(2)打印完成的支撑结构表面上打印连续纤维，通过旋转机构带动支撑结构转动实现连续纤维的缠绕；(4)打印完一层连续纤维，翻转机构带动支撑结构摆动设定角度，XY轴运动单元带动连续纤维送料机构打印下一层连续纤维，通过旋转机构带动支撑结构转动实现连续纤维的缠绕使相邻层的连续纤维之间具有夹角；(5)重复步骤(4)完成结构件打印，去除支撑结构。...

【技术特征摘要】
1.一种连续纤维复合材料结构件原位增材制造方法，其特征在于，采用的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备包括：工作台；Z轴运动单元，安装在工作台上；打印平台，安装在Z轴运动单元的动力输出端上；XY轴运动单元，安装在工作台上；热塑性材料挤出机构和连续纤维送料机构，安装在XY运动单元的动力输出端上且位于所述打印平台上方；所述打印平台包括：安装架，与所述Z轴运动单元的动力输出端连接；翻转机构，装在安装架上；旋转机构，安装在所述翻转机构上，旋转轴垂直翻转轴；成型托板，安装在旋转机构上；打印步骤如下：(1)根据目标结构进行结构设计，确定支撑结构和本体结构；(2)XY轴运动单元带动热塑性材料挤出机构在成型托板上打印支撑结构；(3)XY轴运动单元带动连续纤维送料机构在步骤(2)打印完成的支撑结构表面上打印连续纤维，通过旋转机构带动支撑结构转动实现连续纤维的缠绕；(4)打印完一层连续纤维，翻转机构带动支撑结构摆动设定角度，XY轴运动单元带动连续纤维送料机构打印下一层...

【专利技术属性】
技术研发人员：栾丛丛，傅建中，姚鑫骅，贺永，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33