一种结合纤维毡的陶瓷基复合材料激光选区烧结成型装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种结合纤维毡的陶瓷基复合材料激光选区烧结成型装置，包括机架、铺料系统、激光烧结成型系统和控制单元，其方法首先将零件的三维模型用切片软件进行分层切片后导入设备控制计算机，之后设备将按照设定的程序，控制铺料系统中基体材料喷头在纤维编织毡上铺设基体材料，紧接着激光烧结系统按照分层数据进行选择性激光烧结固化后增大激光功率将纤维毡轮廓切断，此后成型基板下降一个层厚的距离；层层堆叠，获得成型生坯，热压烧结获得成型件。本发明专利技术采用了纤维编织毡与平面铺料固化系统，基体材料种类、数量不限，实现连续纤维增强复合材料的快速成型，激光烧结成型生坯结合加热加压获得高成型性能与精度的成型件。

【技术实现步骤摘要】
一种结合纤维毡的陶瓷基复合材料激光选区烧结成型装置与方法
本专利技术涉及连续纤维增强复合材料增材制造成型
，具体涉及一种结合纤维毡的陶瓷基复合材料激光选区烧结成型装置与方法。
技术介绍
连续纤维增强聚合物基复合材料和连续纤维增强陶瓷基复合材料能够实现复合材料性能的大幅度提升，已被确定为21世纪结构材料优先发展的方向。传统的连续纤维增强复合材料的制备方法主要为模具热压成型、化学气相渗透、化学气相浸渍等方法，这些成型方法无法制备出形状复杂的制件，成型自由度低、成本高；增材制造技术的出现有望改变这种局面，目前针对连续纤维增强复合材料的增材制造技术主要集中在连续纤维增强聚合物复合材料上，且成型方法主要为连续纤维丝材与聚合物基体材料熔融共混挤出，成型件力学性能各向异性明显，且成型速度慢。连续纤维2D编织体本身具有X-Y向正交特性，将2D编制体作为增材制造的耗材，将大大减少成型时间，且制备的复合材料力学性能优越。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种结合纤维毡的陶瓷基复合材料激光选区烧结成型装置与方法，实现增材制造技术制备连续纤维增强复合材料制件，且基体中连续纤维相互正交，适用的基体与纤维材料种类不限，且具有设备简单，成型速率快等特点。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是：一种结合纤维毡的陶瓷基复合材料激光选区烧结成型装置，包括机架、铺料系统、激光烧结成型系统和控制单元；所述的铺料系统包括主动辊子、从动辊子、张紧杆、基体材料料盒、基体材料喷头、滑块、X导轨和Y导轨；所述的主动辊子、从动辊子分别安装在装置的左、右两端，并在主动辊子、从动辊子间缠绕有2D纤维编织体，所述的2D纤维编织体通过两端的张紧杆张紧并保持水平；在主动辊子、从动辊子上方各架设有一个水平前后方向的Y导轨，在Y导轨上架设有水平左右方向的X导轨，所述的X导轨通过转接板连接两侧Y的导轨，在X导轨上安装有可做线性往复运动的滑块，在滑块上安装基体材料料盒和基体材料喷头，所述的基体材料喷头连接基体材料料盒；所述的激光烧结成型系统包括激光器、振镜、成型基板、成型缸和Z轴升降机构，所述的成型缸设于铺料系统下方，所述的Z轴升降机构从下方穿入成型缸的内部，Z轴升降机构上端连接成型基板，所述的成型基板可随Z轴升降机构在成型缸内做Z轴上下往复运动；所述的激光器和振镜安装在成型基板的正上方，振镜中心与成型基板中心对齐。所述主动辊子、从动辊子、张紧杆、Y导轨、成型缸均安装在机架上，所述的激光器和振镜安装在X导轨上。所述控制单元通过控制线路控制所述主动辊子、X导轨、Y导轨、Z轴升降机构、基体材料喷头、激光器以及振镜的动作。所述成型基板归零时，成型缸上表面、成型基板上表面与2D纤维编织体齐平，此时2D纤维编织体可紧贴成型基板12上表面在水平平面往复运动。所述激光器光源功率可调，光源功率范围为100-2000W。一种结合纤维毡的陶瓷基复合材料激光选区烧结成型方法，包括如下步骤：1)将零件的三维模型文件导入控制单元，在控制单元中根据需要打印的材料类型、成型精度设定切片参数，获得设备的控制指令；2)将2D纤维编织体两端分别缠绕在主动辊子和从动辊子上，将基体材料倒入基体材料料盒中；3)控制单元首先将成型基板归零，之后基体材料喷头按照切片参数在覆盖在成型基板上的2D纤维编织体上铺设基体材料；4)开始打印，激光器和振镜配合工作，按照分层图案选择性烧结基体材料，将基体材料与2D纤维编织体烧结在一起；5)激光器调大激光功率，按照分层图案轮廓形状将2D纤维编织体切断后，成型基板下降一个层厚距离；6)主动辊子顺时针转动，使2D纤维编织体沿成型基板上平面水平移动，将完好的2D纤维编织体移动到成型基板上表面；7)重复步骤2)～6)的操作，完成2D纤维编织体增强复合材料生坯的打印成型；8)进行后处理：将成型生坯进行热压烧结，获得相对致密的2D纤维编织体增强复合材料制件。步骤1)中所述的切片参数中层厚为200-400um。步骤2)中所述的2D纤维编织体为碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维或玻璃纤维2D编织体。步骤2)中所述的基体材料为聚合物材料、金属材料、陶瓷材料或以上的复合物。步骤8)中所述的热压烧结的加热温度根据基体材料不同而设计，基体材料为聚合物材料时，加热温度为聚合物熔点，基体材料为陶瓷材料时，加热温度不低于陶瓷材料的烧结致密化温度。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)本专利技术结合纤维毡的陶瓷基复合材料激光选区烧结成型的方法基于2D纤维编织体材料进行生坯的打印成型，从2D到3D极大地提高了成型效率；2)采用本专利技术的方法和设备制备得到的成型件致密性高，成型件中连续纤维正交排布，力学性能优异；3)本专利技术可采用的纤维和基体材料种类广泛，填补了目前连续纤维增强陶瓷材料3D打印技术的空白。附图说明图1为制备纤维编织体增强复合材料专用设备结构原理图。图2为2D纤维编织体传送部分结构原理图。图3为制备纤维编织体增强复合材料层层叠加成型示意图。图4为本专利技术提供的制备方法的工艺流程框图。图中：1-激光器；2-振镜；3-基体材料料盒；4-滑块；5-基体材料喷头；6-2D纤维编织体；7-Y导轨；8-张紧杆；9-主动辊子；10-成型缸；11-Z轴升降机构；12-成型基板；13-从动辊子；14-X滑轨。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。图1为本专利技术提供的一种2D纤维编织体增强复合材料增材制造专用设备的结构原理图，所述设备包括机架、铺料系统、激光烧结成型系统和控制单元。所述铺料系统包括主动辊子9、从动辊子13、张紧杆8、基体材料料盒3、基体材料喷头5、滑块4、X导轨14和Y导轨7；主动辊子9与从动辊子13分别安装在设备两端，2D纤维编织体6两端分别缠绕在主动辊子9与从动辊子13上，并通过张紧杆8张紧并保持水平；基体材料料盒3和基体材料喷头5安装在滑块4上，滑块4安装在X导轨14上并可做线性往复运动，X导轨14通过转接板安装在Y导轨7上。所述激光烧结成型系统包括激光器1、振镜2、成型基板12、成型缸10和Z轴升降机构11；成型基板12固定在Z轴升降机构11上，并可随Z轴升降机构11在成型缸10内做Z轴上下往复运动；激光器1和振镜2位于成型基板12的正上方，振镜2中心与成型基板12中心对齐。所述主动辊子9、从动辊子13、张紧杆8、Y导轨7、成型缸10均安装在机架上。所述的激光器和振镜安装在X导轨上。所述控制单元通过控制线路控制所述主动辊子9、X导轨14、Y导轨7、Z轴升降机构11、基体材料喷头5、激光器1以及振镜2的动作。所述成型基板12归零时，成型缸10上表面、成型基板12上表面、2D纤维编织体6齐平，此时2D纤维编织体6可紧贴成型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结合纤维毡的陶瓷基复合材料激光选区烧结成型装置，其特征在于：包括机架、铺料系统、激光烧结成型系统和控制单元；/n所述的铺料系统包括主动辊子、从动辊子、张紧杆、基体材料料盒、基体材料喷头、滑块、X导轨和Y导轨；所述的主动辊子、从动辊子分别安装在装置的左、右两端，并在主动辊子、从动辊子间缠绕有2D纤维编织体，所述的2D纤维编织体通过两端的张紧杆张紧并保持水平；在主动辊子、从动辊子上方各架设有一个水平前后方向的Y导轨，在Y导轨上架设有水平左右方向的X导轨，所述的X导轨通过转接板连接两侧Y的导轨，在X导轨上安装有可做线性往复运动的滑块，在滑块上安装基体材料料盒和基体材料喷头，所述的基体材料喷头连接基体材料料盒；/n所述的激光烧结成型系统包括激光器、振镜、成型基板、成型缸和Z轴升降机构，所述的成型缸设于铺料系统下方，所述的Z轴升降机构从下方穿入成型缸的内部，Z轴升降机构上端连接成型基板，所述的成型基板可随Z轴升降机构在成型缸内做Z轴上下往复运动；所述的激光器和振镜安装在成型基板的正上方，振镜中心与成型基板中心对齐。/n

【技术特征摘要】
1.一种结合纤维毡的陶瓷基复合材料激光选区烧结成型装置，其特征在于：包括机架、铺料系统、激光烧结成型系统和控制单元；
所述的铺料系统包括主动辊子、从动辊子、张紧杆、基体材料料盒、基体材料喷头、滑块、X导轨和Y导轨；所述的主动辊子、从动辊子分别安装在装置的左、右两端，并在主动辊子、从动辊子间缠绕有2D纤维编织体，所述的2D纤维编织体通过两端的张紧杆张紧并保持水平；在主动辊子、从动辊子上方各架设有一个水平前后方向的Y导轨，在Y导轨上架设有水平左右方向的X导轨，所述的X导轨通过转接板连接两侧Y的导轨，在X导轨上安装有可做线性往复运动的滑块，在滑块上安装基体材料料盒和基体材料喷头，所述的基体材料喷头连接基体材料料盒；
所述的激光烧结成型系统包括激光器、振镜、成型基板、成型缸和Z轴升降机构，所述的成型缸设于铺料系统下方，所述的Z轴升降机构从下方穿入成型缸的内部，Z轴升降机构上端连接成型基板，所述的成型基板可随Z轴升降机构在成型缸内做Z轴上下往复运动；所述的激光器和振镜安装在成型基板的正上方，振镜中心与成型基板中心对齐。


2.根据权利要求1所述的结合纤维毡的陶瓷基复合材料激光选区烧结成型装置，其特征在于：所述主动辊子、从动辊子、张紧杆、Y导轨、成型缸均安装在机架上，所述的激光器和振镜安装在X导轨上。


3.根据权利要求1所述的结合纤维毡的陶瓷基复合材料激光选区烧结成型装置，其特征在于：所述控制单元通过控制线路控制所述主动辊子、X导轨、Y导轨、Z轴升降机构、基体材料喷头、激光器以及振镜的动作。


4.根据权利要求1所述的结合纤维毡的陶瓷基复合材料激光选区烧结成型装置，其特征在于：所述成型基板归零时，成型缸上表面、成型基板上表面与2D纤维编织体齐平，此时2D纤维编织体可紧贴成型基板12上表面在水平平面往复运动。


5.根据权利要求1所述的结合纤维毡的陶瓷基复合材料激光选区烧结成型装置，其特征在于：所述激光器光源功率可调，光源功率范围为100-2000W。

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【专利技术属性】
技术研发人员：张凯，廖文和，刘婷婷，邹志永，熊志伟，闫志隆，陈丹，王新禹，张玲，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32