一种连续纤维复合材料结构件原位增材制造方法与流程

本发明涉及连续纤维复合材料制造技术领域，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。

背景技术

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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。本发明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°。

为了配合本发明方法，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。

为了配合本发明方法，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。

为了配合本发明方法，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。

为了配合本发明方法，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。

为了配合本发明方法，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。

为了配合本发明方法，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。

为了配合本发明方法，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。

为了配合本发明方法，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。

为了配合本发明方法，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。

为了配合本发明方法，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，可根据需要更换不同喷嘴直径的喷头；喉管，连接加热块和挤出结构；散热风扇，安装在喉管上，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；冷却风扇，加快已打印热塑性材料的冷却速度。

本发明的有益效果：

本发明的连续纤维复合材料结构件原位增材制造方法，将传统连续纤维复合材料缠绕工艺与增材制造工艺相结合，解决了传统连续纤维复合材料制造工艺过程复杂、周期较长、往往需要模具的问题，同时可克服当前连续纤维复合材料结构件增材制造方法存在层与层间粘结强度不足以及缺乏层间增强效果的弊端；

本发明方法还可解决现有连续纤维复合材料结构件增材制造方法存在的打印结构件表面质量不高的问题，如台阶现象明显导致表面粗糙度较大的问题，通过使用本发明提供的连续纤维复合材料结构件原位增材制造装置，可很容易实现上述方法，本发明方法与装置在连续纤维复合材料壳体原位制造方面效果尤其显著，避免传统制造方法需要模具以及无法制造复杂结构件的缺陷。

附图说明

图1为本发明的连续纤维复合材料结构件原位增材制造方法的线框流程图。

图2是配合本发明方法实现的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备的结构示意图。

图3是采用本发明方法打印结构件时缠绕一层连续纤维后的结构示意图。

图4是图3中连续纤维缠绕角度的示意图。

图5是在图3的结构上反向缠绕连续纤维的示意图。

图6是图5反向连续纤维缠绕角度的示意图。

图7是图2中打印平台的结构示意图。

图8是图2中x轴运动单元的结构示意图。

图9是图2中连续纤维送料机构的结构示意图。

图10是图9中混合喷头的剖视示意图。

图11是热塑性材料挤出机构的工作过程示意图。

图12是连续纤维送料机构的工作过程示意图。

具体实施方式

如图1～12所示，本实施例的连续纤维复合材料结构件原位增材制造方法，使用的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备包括：打印平台1，热塑性材料挤出机构2，x轴运动单元3，y轴运动单元4，z轴运动单元5，连续纤维送料机构6和升降单元7；打印平台1安装在z轴运动单元5上；连续纤维送料机构6安装在升降单元7上；热塑性材料挤出机构2及升降单元7分别安装在x轴运动单元3的两个动力输出端上；打印平台1包括：安装架11，翻转驱动电机12，翻转驱动电机底座13，成型托板14，旋转驱动电机15和翻转支架16。翻转驱动电机12安装在安装架11上的翻转驱动电机底座13上，翻转支架16转动安装在安装架11上，一端与翻转驱动电机12相连；旋转驱动电机15安装在翻转支架16上，成型托板14在旋转驱动电机15的驱动下实现旋转运动，旋转驱动电机15连带成型托板14在翻转驱动电机12的驱动下实现翻转运动。

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2在成型托板14上打印支撑结构，支撑材料为水溶性材料；

(3)xy轴运动单元带动连续纤维送料机构6在步骤(2)打印完成的支撑结构表面上打印连续纤维，通过旋转驱动电机15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，翻转驱动电机12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6打印下一层连续纤维，通过旋转驱动电机15带动支撑结构转动实现连续纤维的缠绕，上下层连续纤维之间具有夹角，夹角角度为5°～45°；

缠绕法进行打印时，对支撑结构801采用软件进行水平切片并指定为支撑材料喷头，对于连续纤维则指定连续纤维喷头，并选择缠绕方向和缠绕角度；根据控制代码进行打印，先采用支撑材料喷头打印支撑结构801，然后再采用连续纤维喷头以特定的缠绕角度802，在支撑结构801上缠绕连续纤维，当第一层连续纤维打印结束后，以缠绕角度803反向缠绕，如此往复打印，实现多层连续纤维的缠绕。

(5)重复步骤(4)完成结构件打印，去除支撑结构，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8。

为了配合本实施例方法，提高打印效果，本实施例使用的x轴运动单元包括热塑性材料挤出机构驱动电机31，滑块导轨32，第二丝杠33，连续纤维送料机构驱动电机34，光杆35，第二滑块36，第一滑块37和第一丝杠38。第一丝杠38通过联轴器与热塑性材料挤出机构驱动电机31相连，第一滑块37安装在第一丝杠38上，另一端与滑块导轨32抵接；第一滑块37上设有两个通孔，第二丝杠33与光杆35分别穿过上述两个通孔；第二丝杠33通过联轴器与连续纤维送料机构驱动电机34相连；第二滑块36一端安装在第二丝杠33，另一端安装在光杆35上。

为了配合本实施例方法，提高打印效果，本实施例使用的连续纤维送料机构包括混合喷头61，热电偶62，温敏电阻63，第一散热风扇64，安装座65，热塑性材料送料单元66，驱动电机67，挂板68，第一喉管69，第二喉管601，第二散热风扇602和热气流导管603；混合喷头61、热电偶62、温敏电阻63安装在加热块上；加热块通过第一喉管69与热塑性材料送料单元66连接；第一散热风扇64安装在第一喉管69上；第二喉管601安装在加热块上，第二散热风扇602安装在第二喉管601上；混合喷头61上设有热气流导管603；热塑性材料送料单元66通过安装座65安装在挂板68上。挂板68安装在升降单元7上，升降单元7安装在第二滑块36上。

为了配合本实施例方法，提高打印效果，本实施例使用的混合喷头61内部设有热气流环形腔体6031和纤维通道611，热气流环形腔体6031设有进气口6032和出气口6033。热气流环形腔体6031长度与混合喷头61长度之比为3:5。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，通过混合喷头61上自带的出气口6033对上一层连续纤维表面加热。

本实施例的热塑性材料挤出机构工作时，打印平台1的一种工位示意图。热塑性材料挤出机构包括：加热块21，散热风扇22，热塑性材料丝材23，挂板24，冷却风扇25，加热块上设有喷头、热电偶和温敏电阻；加热块通过喉管与热塑性材料挤出结构相连，散热风扇22安装在喉管上；冷却风扇25设置在喷头附近。

本实施例的连续纤维送料机构工作时，打印平台1的另一种工位示意图。在打印过程中，通过成型托板14翻转和旋转，实现多角度地缠绕，实现复杂连续纤维热塑性材料结构件的复合增材制造，特别是连续纤维热塑性材料回转体的复合增材制造。

综上所述，本实施例的连续纤维复合材料结构件原位增材制造方法，将传统连续纤维复合材料缠绕工艺与增材制造工艺相结合，解决了传统连续纤维复合材料制造工艺过程复杂、周期较长、往往需要模具的问题，同时可克服当前连续纤维复合材料结构件增材制造方法存在层与层间粘结强度不足以及缺乏层间增强效果的弊端；还可解决现有连续纤维复合材料结构件增材制造方法存在的打印结构件表面质量不高的问题，如台阶现象明显导致表面粗糙度较大的问题，通过使用本发明提供的连续纤维复合材料结构件原位增材制造装置，可很容易实现上述方法，本发明方法与装置在连续纤维复合材料壳体原位制造方面效果尤其显著，避免传统制造方法需要模具以及无法制造复杂结构件的缺陷。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。