一种高纤维含量的连续纤维增强复合材料及其3D打印方法与流程

一种高纤维含量的连续纤维增强复合材料及其3d打印方法
技术领域
1.本发明属于复合材料和增材制造的交叉领域，涉及一种连续纤维增强复合材料快速成型技术，具体涉及一种高纤维含量的连续纤维增强树脂基复合材料及其3d打印方法。


背景技术：

2.连续纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比模量、可设计性强等优点，广泛应用于航空航天、舰船潜艇、汽车交通、生物医疗、体育器材等诸多领域。连续纤维增强热塑性复合材料3d打印技术是一种新型的复合材料制造技术，因其工艺过程简单灵活、制造精度高周期短、无需昂贵模具、能够快速成型复杂构件等优势，已经引起全世界的广泛关注。
3.由于打印路径直接影响构件的力学性能，因此已有不少研究关注连续纤维增强复合材料3d打印的路径规划。其中，上海交通大学赵冬华等人(cn107187056a)公开了一种基于曲面分层的复杂零件3d打印方法及系统，根据复杂零件的结构和曲面特征建立其三维模型，并进行结构轻量化拓扑优化设计和空间3d切片分层，最终得到一个优化的打印路径，有效提高复杂零件的表面精度。大连理工大学王福吉等人(cn108891029a)公开了连续纤维增强复合材料3d打印典型路径的规划方法，根据成型构件的实际尺寸要求，建立三维模型并切片分层，借助跳点处理机制准确定位跳点并完成跳点动作，得到最少断点的打印路径，保证连续纤维增强复合材料的力学性能。西安交通大学田小永团队(cn106980737a)公开了一种连续纤维增强复合材料轻质结构的制造方法，开发出连续纤维增强复合材料轻质结构轮廓-内部芯材搭接和内部芯材复杂形状十字搭接方法，获得一体化连续纤维增强复合材料轻质结构。另外，南京航空航天大学王显峰团队(cn112046007a)公开了一种连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3d打印路径生成方法。北京机科国创轻量化科学研究院有限公司单忠德等人(cn110001067a)利用有限元仿真技术模拟构件的应力分布，并结合纤维特点规划出可以针对性调整纤维取向的打印路径。
4.众所周知，连续纤维的体积含量直接影响构件的力学性能，提高纤维体积含量有助于进一步提高构件的综合性能。这些打印路径的出现虽然一定程度上提高了连续纤维增强树脂基复合材料3d打印构件的力学性能和成型精度，但是这些打印路径并不能提高构件的纤维体积含量，无法进一步提高构件的力学性能。不少研究也表明目前影响连续纤维3d打印的主要因素之一是如何提高构件中连续纤维的体积含量(陈向明等.3d打印连续纤维增强复合材料研究现状综述.航空学报)。因此，开发一种高纤维含量的连续纤维3d打印技术意义重大。


技术实现要素：

5.为了解决现有打印方法中连续纤维体积含量低、层间结合力弱、力学性能差等问题，提高3d打印构件的综合性能，拓宽连续纤维增强复合材料3d打印技术的应用领域，本发明提出一种高纤维含量的连续纤维增强复合材料及其3d打印方法，从连续纤维3d打印实际工况出发，优化现有连续纤维3d打印路径，提出错位压实的打印策略，主要是调节相邻打印
层打印起始位置，使得下一层的纤维铺放在上一层的树脂粘结处，实现错位压实的打印效果，并在下一层打印时减少z轴抬升，将连续纤维压实在上层树脂中，从而提高纤维体积含量，增加相邻打印层层间结合力。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种高纤维含量的连续纤维增强复合材料3d打印方法，包括以下步骤：
8.1)根据构件尺寸要求，利用建模软件建模，并通过切片软件进行分层，处理跳点并结合有限元分析，规划出无断点的连续纤维增强复合材料3d打印路径；
9.2)结合构件尺寸要求和3d打印路径，调节新打印层与上一打印层的起始位置，通过就近错位正负半个扫描间距，将下一打印层的纤维铺放在上一层的基体树脂粘结处；
10.3)根据纤维和基体树脂属性设置打印层高，将下一层的连续纤维压入上一层的纤维与纤维之间的基体树脂中，进行错位压实；
11.4)重复步骤2)和3)，将步骤3d打印路径进行逐层优化，得到一种新的3d打印路径；
12.5)根据连续纤维和基体树脂的特点设置热床温度、打印速度、打印头温度，结合打印头直径和纤维束宽设置打印扫描间距、打印层高和吐丝速度，结合新的3d打印路径生成打印仪器要求的g代码并在计算机上模拟打印过程，模拟完成后3d打印连续纤维增强复合材料。
13.进一步地，打印层高设置为原有层高的5％～70％，优选为20％～50％。
14.进一步地，连续纤维为连续碳纤维、连续芳纶纤维、连续陶瓷纤维、连续玻璃纤维、连续碳化硅纤维中的一种或多种，或者为聚丙烯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酯纤维中的一种。
15.进一步地，基体树脂为尼龙、abs树脂、聚乳酸、聚酰胺、聚苯醚、聚醚醚酮树脂中的一种或多种，或者为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂，氰酸酯中的一种或多种。
16.进一步地，打印头温度设置为高于基体树脂的玻璃化转变温度并低于基体树脂的分解温度，优选为200～430℃。
17.进一步地，打印速度优选为30～300mm/min。
18.一种高纤维含量的连续纤维增强复合材料，采用上述方法进行3d打印得到。
19.本发明与现有技术相比的有益效果
20.(1)本发明是在现有成熟的3d打印路径基础上经过调整和优化得出的，不仅保留了现有打印路径的优点，而且根据实际打印工况融合了错位压实新技术，从而得出的高纤维体积含量的打印方法
21.(2)本发明采用了错位压实的策略，优化了打印路径，将纤维压入上一层纤维与纤维的基体树脂中，与传统打印路径相比，纤维体积含量可以提高25％～100％；并且打印头压力远小于同等打印层高直接打印的压力，减少对纤维损坏和割断的可能性。
22.(3)本发明设计的特殊打印路径，打印头会再次压实上一层纤维与纤维之间的基体树脂，使基体树脂在高温下再次熔融，增加了基体树脂与纤维、基体树脂与基体树脂之间的浸润次数，从而提高线间结合力和层间结合力，使得构件综合性能得以提升。
23.(4)本发明采用的新的3d打印路径能够使得构件中纤维体积含量增加，界面结合力学性能提高，降低孔隙率，因此本发明具有更加广泛的应用范围，可以应用于航空航天、汽车交通、武器装备和生物医疗等诸多领域。
附图说明
24.图1为单向纤维增强树脂基复合材料标准拉伸样条示意图。
25.图2为本发明提出的3d打印路径下连续纤维排列示意图。
26.图3为传统3d打印路径下连续纤维排列示意图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
28.本发明提出一种高纤维含量的连续纤维增强复合材料3d打印方法，包括以下步骤：
29.1)根据构件的实际尺寸要求，利用建模软件建模并通过切片软件进行分层，处理跳点并结合有限元分析，规划出无断点、高质量、高效率和低缺陷的连续纤维增强复合材料3d打印路径；
30.2)结合构件尺寸要求和步骤1)给出的3d打印路径，调节新打印层与上一打印层的起始位置，通过就近错位正负半个扫描间距，将下一打印层的纤维铺放在上一层的基体树脂粘结处；
31.3)根据纤维和基体树脂属性设置合适的打印层高，将连续纤维压入上一层纤维与纤维之间的基体树脂中，实现错位压实的打印效果，提高构件的纤维体积含量；
32.4)重复步骤2)和3)将步骤1)的打印路径进行逐层优化，得到一种高纤维体积含量、低孔隙率、强界面结合力的新的3d打印路径；
33.5)根据连续纤维和基体树脂的特点设计热床温度、打印速度、打印头温度，结合打印头直径和纤维束宽设计打印扫描间距、打印层高和吐丝速度，结合新的3d打印路径生成打印仪器要求的g代码并在计算机上模拟打印过程，模拟完成后3d打印连续纤维增强复合材料。
34.其中，错位压实是通过调节打印层高，将下一层的连续纤维尽可能的压实在上一层纤维与纤维之间的基体树脂中，结合扫描间距和基体树脂的特点，打印层高可以是设定为原有层高的5％～70％(可以为该范围内的任意数值，例如5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％)，更优选为20％～50％(可以为该范围内的任意数值，例如20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％)。
35.其中，所用连续纤维为连续碳纤维、连续芳纶纤维、连续陶瓷纤维、连续玻璃纤维和连续碳化硅纤维的一种或多种，还可以是聚丙烯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酯纤维，也可以是根据应用需求制备的其他连续纤维丝束；还可以是上述增强纤维与不同基体制备的含连续纤维的预浸丝。
36.其中，所用的基体树脂可以是尼龙、abs树脂、聚乳酸、聚酰胺、聚苯醚和聚醚醚酮树脂的一种或多种；也可以是环氧树脂、双马来酰亚胺树脂，氰酸酯等热固性树脂的一种或多种。
37.其中，打印头温度要高于所用基体树脂的玻璃化转变温度并低于所用基体树脂的分解温度，优选为200～430℃(可以为该范围内的任意数值，例如200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、430℃)，打印速率应该和打印温度匹配，使得打印头接触的基体树脂充分熔融，
连续纤维顺利压入其中，打印速度优选为30～300mm/min(可以为该范围内的任意数值，例如30mm/min、50mm/min、100mm/min、150mm/min、200mm/min、250mm/min、300mm/min)。
38.以下列举一实施例，采用本发明提出的一种高纤维含量的连续纤维增强复合材料3d打印方法，在本实施例中采用1k的连续碳纤维作为增强纤维的原材料进行3d打印，采用尼龙作为基体树脂原材料进行3d打印。本实施例3d打印标准拉伸样条(见图1)，具体步骤如下：
39.步骤1：利用现在传统的3d打印路径规划技术，根据样条的尺寸要求，利用建模软件建模后通过切片软件进行分层，处理跳点并结合有限元分析，规划出无断点、高质量、高效率和低缺陷的连续纤维增强复合材料3d打印传统路径。结合材料属性和打印喷头直径，设定本次打印参数为：打印速度100mm/min，打印温度280℃，打印层高0.4mm，基体树脂丝材直径1.75mm，基体树脂挤出倍率为100％，扫描间距为1mm，热床温度为50℃，采用“回”字填充。
40.步骤2：调整步骤1的传统路径，第一层打印完之后，定位下一层起始打印点，手动修改g代码使打印头正向移动0.5mm(半个扫描间距)，修改打印层高参数，降低50％，设定为0.2mm，并利用计算机模拟确保该层纤维铺放在上一层纤维与纤维的基体树脂粘结处。
41.步骤3：第二层打印完之后，定位下一层起始打印点，手动修改g代码使打印头负向移动0.5mm(半个扫描间距)，保持打印层高为0.2mm，并利用计算机模拟确保该层纤维铺放在上一层纤维与纤维的基体树脂粘结处。
42.步骤4：重复步骤2和3直至指定打印高度，生成优化后的路径代码，导入仪器完成打印，得到高纤维含量的3d打印标准样条(见图2)。
43.以下为一对比例，采用标准拉伸样条的传统3d打印方法进行。
44.本对比例基本上重复上述实施例中的打印过程，区别仅在于，只利用步骤1获得传统的3d打印路径(见图3)，不再通过步骤2～4进行优化，得到传统路径打印的标准拉伸样条。
45.通过对比图2和图3可知，对于同一个构件(例如图1所示的标准拉伸样条)，利用本发明提出的错位压实策略制得的样条纤维含量明显高于传统路径制得的纤维含量(理论上提高了67％)。并且，随着打印层高的减少，可以进一步提高纤维体积含量，为构件力学性能的提高奠定基础。
46.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。