本發(fā)明纖維增強復合材料成型領(lǐng)域，具體涉及一種纖維增強復合材料3d打印輔助成型方法。

背景技術(shù)：

纖維增強高分子復合材料是一種以高分子樹脂為基體，以纖維為增強體形成的多相復合材料，由于其具有高比強度、高比模量、鋪層的可設計性材料、成型和結(jié)構(gòu)成型同步完成及整體化成型等諸多優(yōu)點在航空、航天、軍用裝備、汽車等需要輕量化領(lǐng)域得到越來越廣泛的應用。預浸料-真空袋壓成型是纖維增強高分子復合材料重要的成型方式之一，在成型方式中需要模具來確保制件內(nèi)部的致密度、外部尺寸精度及表面質(zhì)量，然而對于復雜結(jié)構(gòu)的制件，復合材料制件的脫模困難，經(jīng)常需要借助外力，必然會對制件產(chǎn)生一定的損傷，降低了制件的力學性能，縮短其使用壽命。

3d打印技術(shù)屬于快速成型技術(shù)，具有靈活的設計自由度,實現(xiàn)了復雜形狀零件的快速而精密地制造,解決了許多采用傳統(tǒng)工藝難以制造的復雜結(jié)構(gòu)零件的加工成形,減少工裝，簡化加工工序,縮短了加工周期,大大推動產(chǎn)品的一體化成型制造和高端航空航天精密精細化的發(fā)展。fdm(熔融沉積打印)3d打印成型是增材制造中一類重要的成型方式，具體為將絲狀的熱熔性材料加熱熔化,再通過微細噴嘴的噴頭擠壓出工件的橫截面輪廓,依據(jù)電腦切片軟件得出的生成路徑圖，噴頭在工作臺上的往復運動,逐層形成薄片，重復這個過程,便可生產(chǎn)出最終產(chǎn)品。

針對復雜結(jié)構(gòu)的纖維增強復合材料制件成型，本發(fā)明將fdm3d打印成型與連續(xù)纖維復合材料成型方法結(jié)合，以fdm3d成型零件作為成型模，通過預浸料-真空袋壓復合材料成型方式，在上述零件表面完成預浸料的鋪層及輔助材料的鋪置，并在一定溫度和壓力的作用下完成預浸料的固化。通過協(xié)同fdm3d打印成型的靈活性、高精度及復合材料輕質(zhì)高強的優(yōu)點，實現(xiàn)纖維增強復合材料的無模具化制造，避免脫模引起的復合材料制件性能的下降。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決利用復合材料制作復雜結(jié)構(gòu)的制件時，脫模困難，借助外力又會對制件產(chǎn)生一定的損傷，降低制件力學性能、縮短使用壽命的缺陷，提供了一種纖維增強復合材料3d打印輔助成型方法。本發(fā)明通過將fdm3d打印成型與連續(xù)纖維復合材料成型方法結(jié)合，以fdm3d成型零件作為成型模，通過預浸料-真空袋壓復合材料成型方式，在上述零件表面完成預浸料的鋪層及輔助材料的鋪置，并在一定溫度和壓力的作用下完成預浸料的固化。通過協(xié)同fdm3d打印成型的靈活性、高精度及復合材料輕質(zhì)高強的優(yōu)點，實現(xiàn)纖維增強復合材料的無模具化制造，避免脫模引起的復合材料制件性能的下降。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

(1)fdm3d打印成型

依據(jù)最終制件的三維圖，通過切片軟件獲得最終制件的生成路徑圖，設置3d打印機的打印參數(shù)，并依據(jù)最終制件的結(jié)構(gòu)選擇支撐材料、支撐形式，開啟3d打印機，啟動打印程序，3d打印機運行，獲得與支撐材料結(jié)合的3d打印零件；

(2)零件表面粗糙化處理

對步驟(1)中獲得的3d打印零件去除3d打印零件內(nèi)表面或者外表面的支撐材料，然后通過噴砂機對外表面或者內(nèi)表面進行粗糙化處理，并對處理后的表面碎屑進行清理；

(3)預浸料及輔助材料的鋪貼

在步驟(2)獲得的3d打印零件粗化表面，按設計鋪層順序，鋪層包括逐層依次鋪貼的膠膜、預浸料、脫模布、隔離膜、透氣氈、真空袋膜，密封鋪設層周邊并預留真空導入口，并移入烘箱中；

(4)預浸料-真空袋壓成型

對步驟(3)獲得的3d打印零件的鋪設層進行抽真空預壓實，真空壓力為0.090～0.098mpa,并在50～60℃條件下保溫保壓1～2h，之后在不高于3℃/min升溫速率下，升溫至130℃,并保溫2h，所述預浸料完全固化后，開始降溫，在降溫過程中，保持真空壓力至溫度降至60℃以下，依次移除真空袋膜、透氣氈、隔離膜、脫模布；

(5)移除支撐材料

將步驟(4)獲得的3d打印零件放入裝有naoh溶液的超聲清洗機中進行超聲清洗,直至完全移除3d打印零件的支撐材料；

(6)清洗與干燥

將步驟(5)中的3d打印零件用水清洗干凈，并自然晾干獲得最終制件。

本發(fā)明的有益效果包括：

1、通過物理方法對3d打印零件表面粗糙化處理，提高其表面粗糙度，增強其與膠膜機械咬合力，同時增大其和膠膜的結(jié)合面，實現(xiàn)其與預浸料之間粘接強度的大幅增強。

2、通過水溶性材料作為支撐結(jié)構(gòu)的應用，滿足了纖維預浸料在一定的溫度和壓力固化時的尺寸穩(wěn)定性。

3、通fdm3d成型零件作為成型模，結(jié)合預浸料-真空袋壓復合材料成型方式完成預浸料固化后的制件無需脫除模具，避免了脫模造成制件的力學性能下降，同時也縮短了制備周期。

附圖說明

圖1為本發(fā)明技術(shù)方案流程圖。

圖2為實施例1中無人機副翼的肋三維圖。

圖3為實施例1支撐材料結(jié)合的3d打印出來的肋，其中白色的部分為3d打印件本體材料，黑色為支撐材料；。

圖4為實施例1去除外表面支撐材料的肋。

圖5為實施例1玻璃纖維增強的3d打印肋制件。

圖6為實施例2碳纖維增強的3d打印肋制件。

圖7為實施例3碳纖維增強的3d打印肋制件。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施方式僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例1：

本實施例提供一種纖維增強復合材料3d打印輔助成型方法例，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2中所示。

具體的技術(shù)解決方案如下：

(1)fdm3d打印成型

依據(jù)無人機副翼肋的三維圖，通過cura切片軟件得出零件的生成路徑圖，設置打印參數(shù)(層厚0.1，速度35mm/s，噴嘴溫度195°，熱床60°)，并依據(jù)零件結(jié)構(gòu)選擇選用abs絲材作為主體材料，聚乙烯醇絲材作為支撐材料，采用實芯結(jié)構(gòu)作為支撐形式，開啟3d打印機，啟動打印程序，3d打印機運行，獲得與支撐材料結(jié)合的3d打印零件，如圖3所示。通過聚乙烯醇絲材作為支撐材料的應用，滿足了纖維預浸料在一定的溫度和壓力固化時的尺寸穩(wěn)定性。

(2)零件表面粗糙化處理

如圖4所示，對步驟(1)中獲得的肋采用物理的方法進行粗糙化處理，首先去除肋外表面的支撐材料，通過噴砂機對外表面進行粗糙化處理，清理處理后的表面碎屑，最后通過乙醇溶劑進行表面清洗。粗糙化處理，提高了肋表面粗糙度，增強其與膠膜機械咬合力，同時增大其和膠膜的結(jié)合面，實現(xiàn)其與預浸料之間粘接強度的大幅增強。

(3)預浸料及輔助材料的鋪貼

在步驟(2)獲得的肋外表面，按設計順序逐層依次鋪貼一層環(huán)氧樹脂膠膜、三層厚度0.2mm的玻璃纖維環(huán)氧樹脂預浸料、脫模布、隔離膜、透氣氈，最后加蓋一層真空袋膜，密封周邊并預留真空導入口，并移入烘箱中。

(4)預浸料-真空袋壓成型

對上述鋪設層進行抽真空預壓實，真空壓力0.095mpa,并在55℃條件下保溫保壓2h，之后2℃/min升溫速率下，升溫至130℃,并保溫2h，預浸料完全固化后，開始降溫，在降溫過程中，保持真空壓力至溫度降至40℃，依次移除真空袋膜、透氣氈、隔離膜、脫模布。

(5)移除支撐材料

將步驟(4)獲得的纖維增強3d打印肋放入裝有0.5mol/lnaoh溶液的超生清洗機，進行超生清洗2h，直至能夠完全移除內(nèi)部支撐材料。

(6)清洗與干燥

將步驟(5)中的纖維增強3d打印肋用水清洗干凈，并自然晾干獲得最終制件(圖5)。

實施例2：

本實施例提供一種纖維增強復合材料3d打印輔助成型方法例，具體的技術(shù)解決方案如下：

(1)fdm3d打印成型

依據(jù)無人機副翼肋的三維圖，通過切片軟件maker得出零件的生成路徑圖，設置打印參數(shù)，層厚0.2，速度50mm/s，噴嘴溫度195°，熱床60°，并依據(jù)零件結(jié)構(gòu)選擇選用abs絲材作為主體材料，聚乙烯醇絲材作為支撐材料，采用環(huán)繞結(jié)構(gòu)作為形式，開啟3d打印機，啟動打印程序，3d打印機運行，獲得與支撐材料結(jié)合的3d打印零件。

(2)零件表面粗糙化處理

對步驟(1)中獲得的肋采用物理的方法進行粗糙化處理，去除肋內(nèi)表面的支撐材料，通過噴砂機對內(nèi)表面進行粗糙化處理，清理處理后的表面碎屑，最后通過乙醇溶劑進行表面清洗。

(3)預浸料及輔助材料的鋪貼

在步驟(2)獲得的肋外表面，按設計順序逐層依次鋪貼一層環(huán)氧樹脂膠膜、三層厚度0.2mm的碳纖維環(huán)氧樹脂預浸料、脫模布、隔離膜、透氣氈，最后加蓋一層真空袋膜，密封周邊并預留真空導入口，并移入烘箱中。

(4)預浸料-真空袋壓成型

對上述鋪設層進行抽真空預壓實，真空壓力0.090mpa,并在60℃條件下保溫保壓2h，之后1℃/min升溫速率下，升溫至130℃,并保溫2h,預浸料完全固化后，開始降溫，在降溫過程中，保持真空壓力至溫度降至30℃，依次移除真空袋膜、透氣氈、隔離膜、脫模布。

(5)移除支撐材料

將步驟(4)獲得的纖維增強3d打印肋放入裝有1mol/lnaoh溶液的超生清洗機，進行超生清洗2h，直至能夠完全移除內(nèi)部支撐材料。

(6)清洗與干燥

將步驟(5)中的纖維增強3d打印肋用水清洗干凈，并自然晾干獲得最終制件，如圖6所示。

實施例3：

本實施例提供一種纖維增強復合材料3d打印輔助成型方法例，具體的技術(shù)解決方案如下：

(1)fdm3d打印成型

依據(jù)無人機副翼肋的三維圖，通過切片軟件slic3r得出零件的生成路徑圖，設置打印參數(shù)，層厚0.1，速度35mm/s，噴嘴溫度195°，熱床60°，并依據(jù)零件結(jié)構(gòu)選擇選用abs絲材作為主體材料，聚乙烯醇絲材作為支撐材料，采用環(huán)繞結(jié)構(gòu)作為形式，開啟3d打印機，啟動打印程序，3d打印機運行，獲得與支撐材料結(jié)合的3d打印零件。

(2)零件表面粗糙化處理

對步驟(1)中獲得的肋采用物理的方法進行粗糙化處理，去除肋內(nèi)表面的支撐材料，通過噴砂機對內(nèi)表面進行粗糙化處理，清理處理后的表面碎屑，最后通過乙醇溶劑進行表面清洗。

(3)預浸料及輔助材料的鋪貼

在步驟(2)獲得的肋外表面，按設計順序逐層依次鋪貼一層環(huán)氧樹脂膠膜、三層厚度0.2mm的碳纖維環(huán)氧樹脂預浸料、脫模布、隔離膜、透氣氈，最后加蓋一層真空袋膜，密封周邊并預留真空導入口，并移入烘箱中。

(4)預浸料-真空袋壓成型

對上述鋪設層進行抽真空預壓實，真空壓力0.098mpa,并在50℃條件下保溫保壓2h，之后3℃/min升溫速率下，升溫至130℃,并保溫2h，預浸料完全固化后，開始降溫，在降溫過程中，保持真空壓力至溫度降至60℃，依次移除真空袋膜、透氣氈、隔離膜、脫模布。

(5)移除支撐材料

將步驟(4)獲得的纖維增強3d打印肋放入裝有0.1mol/lnaoh溶液的超生清洗機，進行超生清洗2h，直至能夠完全移除內(nèi)部支撐材料。

(6)清洗與干燥

將步驟(5)中的纖維增強3d打印肋用水清洗干凈，并自然晾干獲得最終制件，如圖7所示。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，預浸料不限于玻璃纖維環(huán)氧樹脂和碳纖維環(huán)氧樹脂，也可為凱夫拉纖維環(huán)氧樹脂等以及其他熱固性材料；以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。