一种基于3D打印的变刚度夹芯复合材料结构及其成型方法技术

本发明专利技术为一种基于3D打印的变刚度夹芯复合材料结构及其成型方法，属于复合材料结构设计与制造技术领域。通过改变夹层结构中芯材的壁厚、分布均匀性、几何形状实现变刚度夹层结构设计。本发明专利技术的成型方法首先建立夹层结构三维数模，根据工况条件分析零件受载后的应力分布情况，优化芯材厚度、密度分布，然后利用连续纤维增材制造工艺实现夹层结构的一体化制备。本发明专利技术所设计的变刚度夹层结构根据工况的不同使得不同区域法向横截面上结构的刚度、强度大小不同，拓展了夹层复合材料结构的可设计性，为夹层结构轻量化设计提供新的设计思路。同时本发明专利技术所提出的制造方法，可以实现复杂变刚度夹层复合材料结构一体化成型，提升零件制造效率与质量。造效率与质量。造效率与质量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印的变刚度夹芯复合材料结构及其成型方法


[0001]本专利技术涉及复合材料设计制造领域，特别是涉及一种基于3D打印的变刚度夹芯复合材料结构及其成型方法。

技术介绍

[0002]夹层结构通常也被称为夹芯结构，通常由上面板、下面板、芯材三部分组成。上、下面板之间通过胶层胶合在一起。蜂窝结构在承受面外载荷时，能够在保证弯曲刚度与同材质、同厚度实心结构相差不大的前提下，减重达到70％
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90％，非常符合现今对轻量化结构的要求。先进的复合材料以其高强度、高比模、耐高温以及优异的性能可设计性等优点被人们所重视，在过去几十年得到了长足的发展，并在各种工业领域得到广泛应用。与传统的金属夹层结构相比，复合材料夹层结构除了拥有弯曲刚度与强度大、抗失稳能力强等力学性能优势外，还具有降噪减震、抗冲击、耐腐蚀等功能优点，因此常被作为结构性部件在航空航天、国防工业、汽车工业和铁路运输等多个领域广泛使用。
[0003]复合材料夹层结构的芯材多为多孔材料，从几何构型上可以分为六边形的蜂窝夹层、四边形格栅等等。制造时通常采用手工铺贴方式成型，首先铺设蜂窝下面板，随后在蜂窝下面板上涂抹胶膜铺放加工好外形的芯材，之后在芯材上再次铺贴胶膜，最后铺贴蜂窝上面板，由于采用手工多层铺贴方式成型，从而在成型过程中存在夹层结构形状难以精确控制、底部区域一出现分层、褶皱以及零件实际外形尺寸与理论数模存在差异的问题。同时无法实现变刚度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于3D打印的变刚度夹芯复合材料结构及其成型方法，以解决上述问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种基于3D打印的变刚度夹芯复合材料结构，包括芯材、上面板和下面板；芯材固定设置在上面板和下面板之间，形成夹层结构；
[0007]芯材为多孔板状结构，且芯材的孔间距或者孔大小自一个方向向另一个方向递减，形成变刚度夹层。
[0008]进一步的，芯材上的孔为蜂窝六边形、三角形或矩形栅格。
[0009]进一步的，芯材上的孔为贯穿芯材的通孔。
[0010]进一步的，芯材与上面板和下面板之间均通过粘结连接。
[0011]进一步的，一种基于3D打印的变刚度夹芯复合材料结构的成型方法，包括以下步骤：
[0012]1)建立夹层结构三维数模，根据工况条件分析零件受载后的应力分布情况，优化芯材厚度、密度分布；
[0013]2)根据优化后的夹层结构，生成设备加工轨迹；
[0014]3)使用自动铺放工艺在模具表面成型夹层结构下面板；
[0015]4)在不与铺放设备发生干涉的情况下，使用连续纤维增材制造工艺在下面板上制备芯材；
[0016]5)最后再次使用铺放工艺，在芯材表面直接制备夹层结构上面板。
[0017]进一步的，上面板、下面板与芯材的组份一致。
[0018]进一步的，步骤1)的具体操作为：根据夹层结构实际工况情况，使用仿真模拟软件对等刚度夹层结构进行受力分析，根据分析后得出的应力应变云图，在满足使用要求的前提下调整芯材几何尺寸和分布密度，达到优化应力均匀分布的目前。
[0019]进一步的，步骤2)的具体操作为：根据上面板、下面板的几何形状生成自动铺放加工轨迹；根据芯材几何特征生成连续纤维增材制造加工轨迹。
[0020]与现有技术相比，本专利技术有以下技术效果：
[0021]本专利技术的目的在于克服上述现有技术中的缺点和不足，进一步发掘夹层复合材料结构潜力，而提供一种基于3D打印的变刚度夹芯复合材料结构及其成型方法。该方法是利用变刚度设计思想，通过改变夹层结构内部芯材分布密度、强度，最终实现变刚度、变强度的结构特征，并提出相应的一体化成型方法。在传统复合材料设计中，为了提升结构的局部强度，通常采用增加结构整体后的方法。本专利技术利用变刚度设计思路所设计的变刚度夹层复合材料结构，可以根据工况需求改变芯材分布密度与强度，从而有效避免由于应力集中导致的夹层结构分层开裂，局部力学性能下降引起的整个结构件失效破坏，最终最大程度提升夹层结构的比强度，提升材料利用率与结构整体力学性能。
附图说明
[0022]图1为改变壁厚的变刚度六边形蜂窝夹层结构示意图；
[0023]图2为改变分布的变刚度栅格夹层结构示意图；
[0024]图3为成型过程示意图；
[0025]图4为复合材料夹层结构一体化成型工艺流程图；
[0026]图5为直角变刚度夹层结构设计实例。
具体实施方式
[0027]以下结合附图，对本专利技术进一步说明：
[0028]本专利技术为一种基于3D打印的变刚度夹芯复合材料结构及其成型方法，属于复合材料结构设计与制造
通过改变夹层结构中芯材的壁厚、分布均匀性、几何形状实现变刚度夹层结构设计。本专利技术的成型方法首先建立夹层结构三维数模，根据工况条件分析零件受载后的应力分布情况，优化芯材厚度、密度分布，然后利用自动铺放工艺和连续纤维增材制造工艺实现夹层结构的一体化制备。本专利技术所设计的变刚度夹层结构根据工况的不同使得不同区域法向横截面上结构的刚度、强度大小不同，拓展了夹层复合材料结构的可设计性，为夹层结构轻量化设计提供新的设计思路。同时本专利技术所提出的制造方法，可以实现复杂变刚度夹层复合材料结构一体化成型，提升零件制造效率与质量。
[0029]请参阅图1和图2，一种基于3D打印的变刚度夹芯复合材料结构通过改变夹层结构中芯材的壁厚、分布均匀性、几何形状实现变刚度夹层结构设计。变刚度是指夹层结构在不
同区域法向横截面上结构的刚度、强度大小不同。
[0030]所述的芯材为多孔结构设计，芯材截面的几何形状可以为蜂窝六边形、三角形以及栅格，但不限制于此。
[0031]请参阅图1，为六边形蜂窝芯材的夹层结构，为了更清楚的表现夹芯壁厚变化情况图中隐去了夹层结构的上面板。六边形芯材壁厚由左至右逐渐增大，整体夹层结构的强度由左至右逐渐变强。
[0032]请参阅图2，为四边形栅格芯材的夹层结构，为了更清楚的表现夹芯壁厚变化情况图中隐去了夹层结构的上面板。四边形栅格的尺寸由左至右逐渐变大，栅格密度随之增大，整体夹层结构的强度与刚度也由左至右逐渐变强。
[0033]一种基于3D打印的变刚度夹芯复合材料结构成型方法，如图3和图4所示，包括如下步骤：
[0034]1)建立夹层结构三维数模，根据工况条件分析零件受载后的应力分布情况，优化芯材厚度、密度分布；
[0035]具体操作为：根据夹层结构实际工况情况，使用仿真模拟软件对等刚度夹层结构进行受力分析，根据分析后得出的应力应变云图，在满足使用要求的前提下调整芯材几何尺寸和分布密度，达到优化应力均匀分布的目前。
[0036]2)根据优化后的夹层结构，生成设备加工轨迹；
[0037]具体操作为：根据上、下面板的几何形状生成自动铺放加工轨迹；根据芯材几何特征生成连续纤维增材制造加工轨迹；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印的变刚度夹芯复合材料结构，其特征在于，包括芯材(3)、上面板(1)和下面板(2)；芯材(3)固定设置在上面板(1)和下面板(2)之间，形成夹层结构；芯材为多孔板状结构，且芯材的孔间距或者孔大小自一个方向向另一个方向递减，形成变刚度夹层。2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的变刚度夹芯复合材料结构，其特征在于，芯材上的孔为蜂窝六边形、三角形或矩形栅格。3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的变刚度夹芯复合材料结构，其特征在于，芯材上的孔为贯穿芯材的通孔。4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的变刚度夹芯复合材料结构，其特征在于，芯材(3)与上面板(1)和下面板(2)之间均通过粘结连接。5.一种基于3D打印的变刚度夹芯复合材料结构的成型方法，其特征在于，基于权利要求(1)至(4)任意一项所述的一种基于3D打印的变刚度夹芯复合材料结构，包括以下步骤：1)建立夹层结构三维数模，根据工况条件分析零件受载后的应力分布情况，优化芯材厚度、密度分布；2)根据优化后的夹层结构，生成设...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛志博，段玉岗，张绍磊，王奔，明越科，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：