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CN115008738A - 一种提高3d打印纤维增强树脂基复合材料层间性能的方法 - Google Patents

一种提高3d打印纤维增强树脂基复合材料层间性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种提高3D打印纤维增强树脂基复合材料层间性能的方法。该方法首先将增强增韧材料制备成韧性树脂丝材，采用熔融沉积打印的方式，在层间打印一层薄的韧性胶膜，韧性胶膜通过与上下层间的热熔与界面固化作用，形成多相增强界面，提高层间强度与韧性。该方法有效解决纤维增强树脂打印层间空隙率高，结合强度不足的问题，使打印件的层间结合强度、层间韧性等性能得到明显提高。同时，该方法可以精确控制韧性胶膜的添加种类，添加形状、添加位置与添加厚度等变量，实施方法简易，不需要额外的工艺，尤其适合于薄壁及形状复杂打印件的层间增强增韧。

Description

一种提高3D打印纤维增强树脂基复合材料层间性能的方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种提高3D打印纤维增强树脂基复合材料层间性能的方法。
背景技术
纤维增强树脂复合材料具有高比强度，高比模量等优势，运用在生产生活各个领域，基于熔融沉积制造方法的纤维增强树脂3D打印方法，为纤维增强树脂复合材料的制造提供了一种新的途径，可以实现纤维增强树脂复合材料的快速、近净成型，可设计性强，且能够实现复杂形状零件的成型，其对制造业的转型，升级具有重要的意义，国内外学者，生产厂商对其进行深入的研究。
基于纤维增强树脂熔融沉积制造打印件，在成型过程中仅依靠材料的堆叠铺放成型，存在层间结合性能差，空隙率高的缺陷，这严重影响其层间力学性能，如弯曲性能，剪切性能，层间韧性等。纤维增强树脂熔融沉积打印件层间性能弱，始终是亟需解决的问题。
发明内容
针对上述背景与问题，本专利提供了一种提高3D打印纤维增强树脂基复合材料层间性能的方法，基本方法原理为：先将增强增韧材料制做成韧性树脂丝材，然后通过熔融沉积打印的方式，在纤维增强树脂层间打印韧性树脂丝材，从而在纤维增强树脂层间形成一层形状、位置、厚度、种类可设计的薄层增韧树脂胶膜，韧性胶膜在纤维增强树脂层间粘结并固接，形成较强的多相界面层，以此来提高纤维增强树脂层间的强度与韧性。该方法尤其适合于薄壁及形状复杂件的复合材料层间增强增韧。为了实现上述目的，本发明提供一种提高3D打印纤维增强树脂基复合材料层间性能的方法，按以下步骤进行：
步骤1：根据设计要求，建立打印零件的3D模型，根据打印件的性能需求，将其3D模型划分为层间增强增韧区与非增强区，并分别以合适的分层厚度生成每层截面的几何形状信息文件；
步骤2：根据性能需求，制定增强增韧方案并配置材料，按设计配方制作增韧树脂颗粒，并通过拉丝装备将韧性树脂制作成一定直径的增韧丝材，对应采用增韧丝材打印喷头打印；
步骤3：在打印模型的层间增强增韧区域的每层截面文件之间，按照一定厚度插入增强增韧层，并得到对应增强增韧层几何形状信息文件，增强增韧层形状与相邻层几何形状一致；
步骤4：根据原模型每层截面的几何形状文件及插入的增强增韧层几何形状文件，对不同区域进行打印路径生成。结合工艺要求，将非增强区的纤维增强树脂层几何形状信息文件转化为连续纤维增强打印头对应的G代码路径文件，将增强增韧区的纤维增强树脂层几何形状信息文件转化为连续纤维增强打印头对应的G代码路径文件，并将增强增韧区插入的增强增韧层几何形状信息文件转化为增韧丝材打印喷头对应的G代码路径文件。
步骤5：在非增强区，采用连续纤维打印头根据对应的G代码路径文件，对3D打印纤维增强树脂非增强区域进行打印，打印截面层层堆叠成型；
步骤6；在打印模型增强增韧区域，根据对应增强增韧层G代码路径文件，通过增韧丝材打印喷头在纤维增强树脂打印层上打印薄层增韧树脂胶膜，在打印的增韧树脂膜上继续采用纤维增强树脂3D打印喷头打印纤维增强树脂层，使增韧树脂胶膜在纤维增强树脂层间分布，胶膜增韧层与上下纤维增强层形成多相增强界面，起到层间增强增韧作用。同时，通过辅助加热及辅助热压的方式提高打印增韧树脂胶膜与纤维增强树脂层的结合强度，通过层层堆叠，得到层间增强增韧区域；
步骤7：重复步骤4、5、6，经过层层堆叠打印，得到具有层间增强增韧性能的打印件。
本发明所述增韧丝材为短纤增韧树脂材料、颗粒增韧树脂材料、碳纳米管增韧树脂材料、石墨烯增韧树脂材料、高韧性树脂材料制作的丝材的一种或几种的组合。韧性胶膜的形状，韧性胶膜的种类，韧性胶膜位置与韧性胶膜厚度等变量根据打印性能要求进行高效、精准、可设计性添加，根据打印制件性能需求，在关键受力位置及非关键位置，对打印件进行局部或整体增强增韧，所发明方法，适用于各类纤维增强热塑性树脂沉积3D打印件成型。打印过程通过辅助加热及辅助热压的方式提高打印增韧树脂胶膜与纤维增强树脂层的结合强度。辅助热源采用激光、热风、红外加热方式的一种或几种，提高增韧树脂胶膜与纤维增强树脂层的结合强度。辅助热压采用热压辊的方式对增韧打印层进行即时热压，提高结合强度。发明方法同时能实现不同增韧材料的混合添加，包括同一层的面内混合，层间交错混合，综合发挥多种增韧材料的效果。
采用以上所述的技术方案，有以下优点：
1.采用本发明所述层间添加韧性胶膜的方法，实现熔融沉积打印纤维增强树脂层间性能增强增韧；
2.层间填充韧性胶膜，能够减少层间空隙率，增加材料致密度，提高打印件的弯曲强度与剪切强度；
3.对于结构复杂，薄壁等难以采用铺膜层间增强增韧的打印件，本方法同样适用，并有效的实现层间增强增韧；
4.本方法简易，利用熔融沉积工艺，通过制作符合性能要求的高韧性丝材，在层间打印，实现层间韧性胶膜的高效精准可设计性添加，包含添加材料，添加形状，添加位置与添加厚度等。
5.能实现不同增韧材料的混合添加，包括同一层的面内混合，层间交错混合，更好发挥增韧效果。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是层间性能提高方法流程图；
图2是层间性能提高方法示意图；
图3是打印件增强增韧前(a)，增强增韧后(b)层间结构图；
图4是蜂窝状打印件实施例说明图。
附图标记：1、水平运动驱动电机；2、水平运动滑轨；3、垂直运动驱动电机；4、垂直运动丝杠；5、水平运动丝杠；6、基座；7、垂直运动滑轨；8、纤维增强树脂原丝材供应卷；9、纤维增强树脂打印丝材；10、纤维增强树脂丝材打印头模块；11、纤维增强树脂丝材打印成型层；12、层间增强增韧打印件；13、韧性树脂丝材供应卷；14、韧性树脂丝材；15、韧性树脂丝材打印头模块；16、辅助热源；17、韧性树脂丝材打印成型层；18、热床；19、底部纵向运动导轨；20、增强纤维丝；21、增强增韧前结合界面；22、上打印层；23、下打印层；24、增强纤维束；25、韧性胶膜层；26、蜂窝结构；27、连续碳纤维增强尼龙打印层；28、碳纳米管-尼龙增韧层。
具体实施方式
本发明提出一种提高3D打印纤维增强树脂复合材料层间性能的方法，该方法提高3D打印纤维增强树脂层间强度与韧性，层间性能提高方法示意图如图1所示，图2为层间性能提高方法流程图。具体实施方式为，根据需求设计打印件的形状，得到其立体模型，根据其性能与应用需求，对模型进行区域划分，分为层间增强增韧区域与非增强区域，对模型按一定厚度s进行切片，得到对应每层几何信息格式文件，在增强增韧区域层间以一定厚度c在每层间插入增强增韧层每层几何信息文件。之后对所得原模型分层文件及增强增韧区域分层文件进行路径规划，得到每层对应G代码文件。同时，根据打印件性能需求与设计，按一定配方将增韧材料制成增韧打印丝材。如图1所示，在基座6上，水平运动驱动电机1驱动水平运动丝杠5转动，带动纤维增强树脂丝材打印头模块10在水平运动滑轨2上实现水平运动；垂直运动驱动电机3驱动垂直运动丝杠4转动，带动纤维增强树脂丝材打印头模块10在垂直运动滑轨7上实现垂直运动，热床18在底部纵向导轨19的驱动下实现纵向运动。采用纤维增强树脂丝材打印头模块10实现对纤维增强树脂打印丝材9的打印成型，得到对应的纤维增强树脂丝材打印层11，丝材由纤维增强树脂丝材供应卷8提供。相应的采用韧性树脂丝材打印头模块15实现对韧性树脂丝材14的打印成型，得到韧性树脂丝材打印成型层17，丝材由韧性树脂丝材供应卷13提供，韧性树脂丝材14由拉丝机制作，其增强体，基体根据要求，按一定配方制得；通过识别对应G代码，实现纤维增强树脂打印丝材与韧性树脂丝材的层层堆叠打印，在韧性树脂与纤维增强树脂材料打印层结合时，采用16辅助热源，以激光、红外加热等方法加热增韧层，使其与纤维增强树脂层结合更加充分。通过纤维增强树脂层与增韧层层层堆叠打印，最终在热床18上得到层间增强增韧打印件12，完成层间增强增韧样件制造。如图3所示，是打印件增强增韧前后打印件的层间结构，图3(a)所示，为增韧前打印件层间结构，界面层21在连续纤维增强树脂上打印层22与连续纤维增强树脂下打印层23间形成，多根增强纤维丝20组成增强纤维束24。图3(b)所示打印韧性胶膜层后，在上下打印层间形成韧性胶膜层25.以蜂窝状结构材料打印为例，打印材料为碳纤维增强尼龙，增韧材料以碳纳米管-尼龙为例说明。如图4所示，蜂窝状打印件实施例说明图所示，打印件为蜂窝结构26，打印起始以一定层厚打印碳纤维增强尼龙材料，得到连续碳纤维增强尼龙打印层27，其形状为蜂窝截面层；然后采用碳纳米管-尼龙增韧材料，以较薄的厚度在碳纤维增强尼龙打印层上打印碳纳米管-尼龙增韧层28，其形状为蜂窝截面层。采用连续纤维增强尼龙与增韧层，层层累加打印的方式，实现打印复杂薄壁蜂窝结构件的层间增强增韧。

Claims (5)

1.一种提高3D打印纤维增强树脂基复合材料层间性能的方法，其特征在于：
步骤1：根据设计要求，建立打印零件的3D模型，根据打印件的性能需求，将其3D模型划分为层间增强增韧区与非增强区，并分别以合适的分层厚度生成每层截面的几何形状信息文件；
步骤2：根据性能需求，制定增强增韧方案并配置材料，按设计配方制作增韧树脂颗粒，并通过拉丝装备将韧性树脂制作成一定直径的增韧丝材，对应采用增韧丝材打印喷头打印；
步骤3：在打印模型的层间增强增韧区域的每层截面文件之间，按照一定厚度插入增强增韧层，并得到对应增强增韧层几何形状信息文件，增强增韧层形状与相邻层几何形状一致；
步骤4：根据原模型每层截面的几何形状文件及插入的增强增韧层几何形状文件，对不同区域进行打印路径生成。结合工艺要求，将非增强区的纤维增强树脂层几何形状信息文件转化为连续纤维增强打印头对应的G代码路径文件，将增强增韧区的纤维增强树脂层几何形状信息文件转化为连续纤维增强打印头对应的G代码路径文件，并将增强增韧区插入的增强增韧层几何形状信息文件转化为增韧丝材打印喷头对应的G代码路径文件；
步骤5：在非增强区，采用连续纤维打印头根据对应的G代码路径文件，对3D打印纤维增强树脂非增强区域进行打印，层层堆叠成型；
步骤6；在打印模型增强增韧区域，根据对应增强增韧层G代码路径文件，通过增韧丝材打印喷头在纤维增强树脂打印层上打印薄层增韧树脂胶膜，在打印的增韧树脂膜上继续采用纤维增强树脂3D打印喷头打印纤维增强树脂层，使增韧树脂胶膜在纤维增强树脂层间分布，胶膜增韧层与上下纤维增强层形成多相增强界面，起到层间增强增韧作用。同时，通过辅助加热及辅助热压的方式提高打印增韧树脂胶膜与纤维增强树脂层的结合强度，通过层层堆叠，得到层间增强增韧区域；
步骤7：重复步骤4、5、6，经过层层堆叠打印，得到具有层间增强增韧性能的打印件。
2.根据权利要求1所述的一种提高3D打印纤维增强树脂基复合材料层间性能的方法，其特征在于，在所述步骤2中，先按一定配方制作增韧丝材，采用3D打印的方式，通过熔融沉积增韧丝材打印，在层间形成薄层韧性胶膜材料，实现层间增强增韧，韧性胶膜的形状，韧性胶膜的种类，韧性胶膜位置与韧性胶膜厚度等变量根据打印性能要求进行高效、精准、可设计性添加，根据打印制件性能需求，在关键受力位置及非关键位置，对打印件进行局部或整体增强增韧，即所发明方法，适用于各类纤维增强热塑性树脂与热固性树脂熔融沉积3D打印件成型。
3.根据权利要求1所述的一种提高3D打印纤维增强树脂基复合材料层间性能的方法，其特征在于，所述增韧丝材为短纤增韧树脂材料、纳米纤维增强树脂材料、颗粒增韧树脂材料、碳纳米管增韧树脂材料、石墨烯增韧树脂材料、高韧性树脂材料制作的丝材的一种或几种的组合。
4.根据权利要求1所述的一种提高3D打印纤维增强树脂基复合材料层间性能的方法，其特征在于，该方法通过采用多喷头分别打印不同种类的增韧材料，能实现不同增韧材料的混合添加，包括同一层的面内混合，层间交错混合，综合发挥多种增韧材料的效果。
5.根据权利要求1所述的一种提高3D打印纤维增强树脂基复合材料层间性能的方法，其特征在于，打印过程通过辅助加热及辅助热压的方式提高打印增韧树脂胶膜与纤维增强树脂层的结合强度。辅助热源为激光、热风、红外加热方式的一种或几种，提高增韧树脂胶膜与纤维增强树脂层的结合强度。辅助热压采用热压辊的方式对增韧打印层进行即时热压，提高结合强度。
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