一种用于连续纤维增强复合材料结构成型的多维度增材制造方法与流程

本发明涉及机械制造工程领域，特别涉及连续纤维增强复合材料的增材制造方法

背景技术：

连续纤维增强复合材料(frp)技术是一种常用的复合材料增强技术，广泛应用于航天、航空、汽车制造领域。比如碳纤维增强机翼，碳纤维汽车外壳、碳纤维自行车等。现有的连续纤维增强复合材料成型工艺有手糊成型、缠绕成型、层压成型、编制成型等。这些成型工艺都比较复杂，常需要匹配模具，不适合小批量多样化生产；同时模具成本很高，需要配备的人力也很多。

增材制造技术在近些年迅猛发展，人们尝试用增材制造的方法来实现连续纤维增强的复合材料。而现有的研究的实现方式都是三维的多层累加的增材制造，不能实现曲面铺丝技术，也不能实现长丝缠绕成型技术。制造出的复合材料零件层间结合应力差，所以必须寻求一种更能够更加灵活实现连续纤维增强复合材料制造的制造方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种用于连续纤维增强复合材料结构成型的多维度增材制造方法，来解决现有连续纤维增强复合材料成型方式复杂、制造成本高、制造时间长的问题。同时解决现有增材制造零件结构强度不足，层间结合应力差的问题。

本发明用于连续纤维增强复合材料结构成型的多维度增材制造方法，具体包括下述步骤：

步骤一：获取待加工零件stl文件，根据零件结构，受力的大小和力学分布，将零件分为基材层和纤维层；纤维层又分为纤维铺放层和纤维缠绕层。

步骤二：确定基材层与纤维层材料。

步骤三：对基材层进行切片计算，生成切片轨迹。

步骤四：规划纤维打印路径，生成纤维铺放层。

步骤五：在工件的外表面，进行交叉网格缠绕，构成纤维缠绕层。

步骤六：产生制造设备运动gcode文件，并发送给制造设备，进行加工生产。

本发明的优点在于：

1、本发明用于连续纤维增强复合材料结构成型的多维度增材制造方法，通过多维度制造，可以根据零件的受力方向进行纤维铺放；

2、本发明用于连续纤维增强复合材料结构成型的多维度增材制造方法，通过多维度制造，可以实现纤维增强复合材料的缠绕成型工艺，将零件用纤维包裹，行程一个整体，提升整体性能。

3、本发明用于连续纤维增强复合材料结构成型的多维度增材制造方法，相对于传统纤维增强复合材料，增材制造方式更加快捷，简单。

附图说明

图1为本发明用于连续纤维增强复合材料结构成型的多维度增材制造方法流程图；

图2a为本发明用于连续纤维增强复合材料结构成型的多维度增材制造方法中复合材料基体层和纤维层相间分层布局；

图2b为本发明用于连续纤维增强复合材料结构成型的多维度增材制造方法中复合材料基体层在内，纤维层在外的分层布局；

图3a为本发明用于连续纤维增强复合材料结构成型的多维度增材制造方法中同心环绕式纤维铺放示意图；

图3b为本发明用于连续纤维增强复合材料结构成型的多维度增材制造方法中交叉网格式布局纤维铺放示意图；

图3c为本发明用于连续纤维增强复合材料结构成型的多维度增材制造方法中平行单线布局纤维铺放示意图；

图4a为本发明用于连续纤维增强复合材料结构成型的多维度增材制造方法中分散型纤维铺放轨迹示意图；

图4b为本发明用于连续纤维增强复合材料结构成型的多维度增材制造方法中收紧型纤维铺放轨迹示意图；

图5a为本发明用于连续纤维增强复合材料结构成型的多维度增材制造方法中多向缠绕轨迹示意图；

图5b为本发明用于连续纤维增强复合材料结构成型的多维度增材制造方法中单向缠绕轨迹示意图。

图中：

1-打印设备2-基体材料3-纤维铺放层

4-纤维缠绕层301-分散型纤维铺放轨迹302-收紧型纤维铺放轨迹

401-单层纤维缠绕轨迹402-交叉网格结构

具体实施方式

本发明涉及一种用于连续纤维增强复合材料结构成型的多维度增材制造方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤一：获取待加工零件stl文件，对零件结构、外形、受力情况进行分析；其中，受力情况根据工件具体情况，通过选择受力方向，受力大小，力场分布来确定。由此根据零件结构，并参照受力的大小和力学分布，对零件分层，将零件的基体材料2分为分为基材层和纤维层。生成的基材层和纤维层可为完全隔开的结构，也可以为相互参合的结构。其中，基材层的结构可为有空洞填充，也可为实心填充；纤维层根据铺放形式不同，又分为纤维铺放层3和纤维缠绕层4。上述分层过程中，分层的参数可根据提供的参数手动选择，主要参数包括分层层厚、基材属性和材料、纤维含量与纤维层数组成等。

步骤二：分配确定基材，并确定纤维材料；

基材材料可通过给定参数，选择现有搭配；基材材料可为单树脂材料，如聚乳酸(pla)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)、聚醚醚酮(peek)等，也可为短切纤维增强的树脂材料。

纤维材料可选碳纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维以及生物相容的蚕丝纤维、麻纤维等。

步骤三：对基材层进行切片计算，生成切片轨迹；切片轨迹可为同心填充、线填充、蜂窝填充等。

步骤四：规划纤维打印路径，生成纤维铺放层；

根据步骤一中生成的基材层表面外形以及确定的工件受力情况，生成纤维铺放轨迹，构成纤维铺放层3。纤维铺放层3是在已打印制造的基材层表面布置连续纤维。纤维铺放层3参照零件的受力模型，沿力场走向、同时避开零件特殊结构特征、通过打印设备1单丝铺放连续纤维材料。铺放纤维方式有同心环绕式布局、交叉网格式布局、平行单线布局等，分别如图3a、图3b、图3c所示，在布局中考虑零件外形，同时规避特殊结构，如圆孔；直至充分布满基材层表面。多层表面之间布局可根据立场分布、立场密集程度，采用差异布局。其中，平行单线布局采用平行单线布局排列，往复布局纤维，其铺方轨迹分为分散型纤维铺放轨迹301与收紧型纤维铺放轨迹302，分别如图4a与图4b所示。纤维层布置完成后可在其上方继续覆盖基材，形成纤维层与基材层的三明治结构。基材层和纤维层的镶嵌布局，将纤维层稳定固定在基材内部，根据立场分布方式布局，可以定向增强增强工件的承力能力，充分利用纤维的各向异性特征，起到综合增强复合材料结构力学性能的目的。

步骤五：生成纤维缠绕层4。

在步骤一中生成的基材层和步骤四得到的铺放纤维层的基础上，生成纤维缠绕轨迹，构成纤维缠绕层4。纤维缠绕层4一般在工件的外表面，采用拟测地线方式，满足缠绕线的无滑移，无桥接条件，在一定旋转方向(如逆时针方向)进行缠绕，并不断调整起始点位置，形成缠绕方向相同的单层纤维缠绕轨迹401，如图5a所示；在形成单层缠绕层之后，一般需要再铺一层或者多层基体材料，之后在其外表面，改变缠绕旋转方向继续缠绕；经历多次缠绕，可形成多层纤维缠绕轨迹，且相邻两层纤维缠绕轨迹间呈交叉网格结构402，如图5b所示；缠绕过程中，打印设备1对纤维丝有一定拉力作用，使得缠绕力可控。纤维缠绕层4能够将工件整体包裹，起到增强工件刚度，提升工件层间剪切应力的作用。

步骤六：通过以上各步生成的制造轨迹，产生设备运动gcode文件，并发送给制造设备，进行加工生产。