一種3d打印制備長纖維增強金屬基復合材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種3D打印制備金屬基復合材料的方法，它涉及一種利用3D打印成形技術制備纖維增強金屬基體復合材料的工藝方法。本發(fā)明是為了解決柔性導向三維織造技術中導向柱升降及排布不夠靈活、長纖維增強金屬基體復合材料中零件預制體織造難度大、金屬液浸滲預制體工藝復雜、成本高、成品率低等問題。主要方法為：以多種金屬和長纖維為原材料，在三維織造纖維預制體的過程中采取3D打印成形技術打印成形導向柱，以逐層編織逐層打印的方式制備零件。該方法實現(xiàn)了長纖維增強金屬基復合材料的纖維織造與金屬液浸滲成形一體化，大幅度提高了零件的制造效率。
【專利說明】 一種3D打印制備長纖維增強金屬基復合材料的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種長纖維增強金屬基復合材料的新工藝，特別是利用3D打印成形技術和三維織造成形技術制備形狀復雜、變截面零件的工藝方法。

【背景技術】
[0002]纖維增強金屬基復合材料具有輕質、比強度高、耐磨性強、比模量高、耐高溫性能好、抗老化等優(yōu)良的綜合性能，在先進武器、航空航天等領域有著廣闊的應用前景，同時金屬基復合材料逐漸地從軍事國防向民用領域滲透，如今已在陸上運輸、民航、工業(yè)和體育休閑產(chǎn)業(yè)等諸多領域實現(xiàn)商業(yè)化的應用。
[0003]目前，金屬基復合材料的制備方法主要有液態(tài)制備法和固態(tài)制備法，液態(tài)制備法主要有攪拌溶鑄法、液態(tài)浸滲法、噴射沉積法。固態(tài)制備法主要包括粉末冶金法、熱壓法等。但是這些方法都有較明顯的局限性，比如，液態(tài)金屬攪拌熔鑄法的基本原理是將增強顆粒直接加入基體金屬熔體中，通過一定的攪拌方式使顆粒均勻地分散于金屬基體中，然后澆鑄成錠坯、鑄件等，但這種方法對于長纖維增強材料并不適用，另外，該方法不能實現(xiàn)復合材料性能可設計性這一突出特點；液態(tài)浸滲法是先將增強相做成預制件，用惰性氣體或機械化裝置作為壓力媒體將金屬液壓入預制件的孔隙中，凝固后即成復合材料，此種方法對于結構比較復雜的零件不適用，而且制造成本較高，對零件的尺寸要求嚴格。粉末冶金法是最早用來制備金屬基復合材料的一種固態(tài)制備法，可以制備復合材料坯錠以供擠壓、軋制、鍛壓和旋壓而最終成形，但粉末冶金法只適用于制備各種顆?；蚓ы氃鰪姷慕饘倩鶑秃喜牧?，且其制備工藝復雜、成本較高，限制了復合材料的工業(yè)化、大規(guī)模生產(chǎn)。
[0004]柔性導向三維織造技術能制造出形狀較復雜、結構性能較好的零件預制體，但是由于預制體的形狀復雜，常規(guī)浸潰工藝很難浸潰完全，容易導致成品制件出現(xiàn)澆不足、縮孔、縮松等嚴重缺陷。本專利將復合材料柔性導向三維織造技術與3D打印成形技術深度結合，能夠實現(xiàn)金屬基復合材料零件的分層快速成形，不僅能解決預制體浸潰困難問題，還能夠解決復雜變截面零件成形問題，同時提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。


【發(fā)明內容】

[0005]為了滿足長纖維增強金屬基復合材料的性能要求，保證纖維連續(xù)性，解決復雜變截面零件的織造問題。本發(fā)明提出一種基于3D打印快速成形的工藝方法制備三維織造長纖維增強金屬基復合材料，該工藝方法可以實現(xiàn)長纖維增強金屬基復合材料的纖維織造與金屬浸滲一體化成形，可以高效快速的制備出形狀復雜、截面變化的復合材料零件，且無需后期加工處理。
[0006]本發(fā)明采用3D打印技術與柔性導向三維織造技術相結合制備長纖維增強金屬基復合材料，具體包括以下步驟:
(I)根據(jù)零件實際尺寸，完成零件的三維CAD建模，利用軟件對零件的三維CAD模型進行分層處理并得離散化的二維層片信息； (2)計算機根據(jù)零件的性能需求，結合柔性導向三維織造技術原理，得到每個層面所需要導向柱的類型、材料、數(shù)量以及排布方式等打印成形信息，同時自動生成纖維三維織造路徑的程序；
(3)根據(jù)三維織造中導向柱的分布規(guī)律，根據(jù)零件的性能需求，結合3D打印成形技術原理，得到導向柱的打印程序和每個層面所需要金屬的類型以及每層打印厚度的信息；
(4)在真空條件下，3D打印成形機根據(jù)打印程序首先在可實時控溫的工作平臺上打印出第一層導向柱；
(5)三維織造成形機根據(jù)三維織造程序以3D打印導向柱為導向完成一層纖維的編織，層間織造纖維的路徑根據(jù)打印導向柱的排布以及零件對纖維排布的要求確定；
(6)3D打印成形機根據(jù)打印程序完成一層織造纖維間的金屬噴射沉積成形；(7) —層成形完畢后，形成新的成形表面，3D打印成形設備上移，距離為
下一層導向柱的高度；
(8)3D打印成形機在當前金屬沉積層的表面打印導向柱，所有層間導向柱的參數(shù)根據(jù)具體零件性能的具體要求而變化；
(9)重復步驟51直至零件制備完成。
[0007]所述導向柱是根據(jù)零件層片信息要求通過3D打印技術制得，導向柱的材質、數(shù)量、高度以及分布根據(jù)零件當前層信息調整；根據(jù)導向柱在當前層中所處位置不同，可以改變導向柱的截面形狀和方向。
[0008]所述織造纖維是碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、氮化硼、超高分子量聚乙烯纖維中的一種或幾種。
[0009]每層纖維以當前層打印的導向柱為導向進行織造，每層織造纖維的路徑根據(jù)零件當前層信息相應調整。
[0010]根據(jù)零件性能的不同需求，對每層可以選擇一種或多種金屬打印成形。每層噴射沉積金屬的厚度與當前層導向柱高度相同，3D打印成形設備每次打印完成后上升的高度為下一層導向柱的高度。
[0011]所述工作平臺處于真空或惰性氣體保護中。
[0012]本發(fā)明采用3D打印成形技術與三維柔性導向織造技術相結合制備長纖維增強金屬基體復合材料，能夠根據(jù)零件的需要實現(xiàn)導向柱的靈活打印，以及纖維的靈活織造，可以實現(xiàn)復雜變截面金屬基復合材料零件的一次成形，提高了工作效率，同時降低成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的工藝流程圖；
圖2是實施例1中的三維模型圖；
圖3是實施例1中的工藝示意圖，圖中I為工作平臺，2為打印成形的導向柱，3為織造纖維，4為填充金屬；
圖4是實施例2中的三維模型圖。

【具體實施方式】
[0014]本發(fā)明利用3D打印成形技術與三維柔性導向織造技術相結合制備長纖維增強金屬基復合材料，能夠根據(jù)零件的性能需要實現(xiàn)導向柱的靈活排布，可以更加靈活地完成纖維的三維織造，能夠實現(xiàn)復雜變截面金屬基復合材料零件的一次成形。
[0015]實施例1:
本實施例使用本發(fā)明方法制長纖維增強金屬基復合材料的皮帶輪零件，步驟如下:
(O首先建立皮帶輪的三維CAD模型如圖2所示；
(2)對零件的三維CAD模型進行分層信息處理，得到二維層片的離散信息；
(3)根據(jù)步驟(2)中得到的零件二維層片信息，進行3D打印成形以及纖維三維織造路徑的設計；
(4)根據(jù)零件的層片信息，采用T300-lk碳纖維與鋁合金為成形材料；
(5)打印設備在工作平臺上打印一層導向柱(圖3所示2為打印成形的導向柱)；
(6)三維織造成形設備根據(jù)既定程序以當前層導向柱為導向進行纖維的三維織造，一層織造完成后，進行金屬噴射沉積成形，金屬層厚度為當前層導向柱高度；
(7)3D打印成形設備上移，距離為下一層導向柱的高度；
(8)根據(jù)零件的需要,確定導向柱為圓柱形、直徑從0.不等，間距從不等、每層高度從0.5mm-1mm不等,依據(jù)選定參數(shù)在上一打印層上打印導向柱；
(9)重復步驟61直至零件完成。
[0016]實施例2:
該實施例采用本發(fā)明方法制備圓環(huán)形零件如圖4所示，與實施例1所不同的是該實施例中零件不存在變截面情況，步驟4中使用T300-3k碳纖維，步驟6中導向柱采用圓柱形，直徑為1.5mm,間距為1.5mm,每層高度為Imm,其余均同實施例1中相同。
[0017]以上對本發(fā)明及其實施方式的描述是示意性的，沒有限制性。所以，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，進行其他實施例，均應屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種3D打印制備長纖維增強金屬基復合材料的方法，其特征在于，以長纖維束和多種金屬為成形原材料，根據(jù)零件的輪廓和層片信息，利用3D打印成形技術完成每層導向柱的打印以及纖維層間金屬的噴射沉積成形，利用三維織造成形技術根據(jù)零件的輪廓和層片信息完成纖維編織，具體包括以下步驟: (1)根據(jù)零件實際尺寸，完成零件的三維CAD建模，利用軟件對零件的三維CAD模型進行分層處理并得到輪廓和層片以及零件相關材料信息； (2)將零件的輪廓和層片信息輸入到成形機的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動生成零件的3D打印導向柱以及纖維三維織造路徑程序； (3)3D打印成形機根據(jù)打印程序首先在工作平臺上打印出一層導向柱； (4)三維織造成形機根據(jù)三維織造程序以步驟(3)打印的導向柱為導向完成對應層纖維的編織； (5)3D打印成形機根據(jù)打印程序完成該層織造纖維間的金屬沉積成形； (6)—層成形完畢后，形成新的成形表面，打印成形設備上移一定高度； (7)重復步驟3飛直至零件制備完成。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種3D打印制備長纖維增強金屬基復合材料的方法，其特征在于，所述導向柱是根據(jù)零件層片信息要求通過3D打印技術制得，導向柱的材質、數(shù)量、高度以及分布根據(jù)零件當前層信息調整。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種3D打印制備長纖維增強金屬基復合材料的方法，其特征在于，根據(jù)導向柱在當前層中所處位置不同，可以改變導向柱的截面形狀和方向。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種3D打印制備長纖維增強金屬基復合材料的方法，其特征在于，織造纖維是碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維、氮化硼、超高分子量聚乙烯纖維中的一種或幾種。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種3D打印制備長纖維增強金屬基復合材料的方法，其特征在于，每層纖維以當前層打印的導向柱為導向進行織造，每層織造纖維的路徑根據(jù)零件當前層信息相應調整。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種3D打印制備長纖維增強金屬基復合材料的方法，其特征在于，根據(jù)零件性能的不同需求，對每層可以選擇一種或多種金屬打印成形。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種3D打印制備長纖維增強金屬基復合材料的方法，其特征在于，每層噴射沉積金屬的厚度與當前層導向柱高度相同。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種3D打印制備長纖維增強金屬基復合材料的方法，其特征在于，3D打印成形設備每次打印完成后上升的高度為下一層導向柱的高度。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種3D打印制備長纖維增強金屬基復合材料的方法，其特征在于，所述工作平臺處于真空或惰性氣體保護中。
【文檔編號】B22F3/115GK104388848SQ201410762725
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月14日 優(yōu)先權日:2014年12月14日
【發(fā)明者】單忠德, 劉豐, 戰(zhàn)麗, 李志坤, 喬娟娟 申請人:機械科學研究總院先進制造技術研究中心