[发明专利]一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法

权利要求书

1.一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立三维模型：利用计算机辅助设计CAD软件，根据功能调控结构材料制件的外形特征，建立制件的三维模型，若制件结构简单，则直接进行下一步；若制件结构复杂，则按其结构特征分割为不同的结构模块，再分别对这些结构模块进行下一步操作；

2)性能分析与模拟：将三维模型导入计算机辅助工程CAE软件中，对所要制备的功能调控结构材料样件进行静力学、热力学、电磁学的性能分析，同时根据其具体工况下的环境特征进行模拟仿真，并根据分析模拟结果提取制件的主应力场、热场、电磁场的特征曲线；

3)纤维轨迹生成：根据步骤2)得到的主应力场、热场、电磁场的特征曲线的分布特征，对其应力集中区域、热场流动变化、电磁场流动变化的关键区域进行功能调控设计，即进行纤维路径与含量的调整，得出用于描述纤维轨迹的曲线；

4)纤维轨迹优化：首先，利用数值计算分析软件对纤维轨迹进行算法优化，其中优化的算法包括最小二乘法、细胞自动机CA及遗传算法，从而得到制件的算法优化轨迹；其次，考虑3D打印中的工艺手段，对纤维轨迹再进行优化调整，包括纤维方向角、纤维铺放密度、打印扫描间距及打印厚度的参数，得到最后的纤维轨迹曲线；

5)生成制件路径：将步骤1)中的制件三维模型导入到计算机辅助制造CAM软件中，根据步骤4)得到的纤维轨迹曲线生成制件的3D打印路径，同时根据3D打印工艺，计算出打印时的各项工艺参数，得到最后的3D打印指令文件；

6)完成3D打印制备：将步骤5)生成的3D打印指令文件导入到连续纤维增强复合材料3D打印机中，根据路径与工艺参数信息，完成功能调控材料结构材料的制备。

2.根据权利要求1所述的一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，其特征在于：所述的步骤1)中计算机辅助设计CAD软件，包括Autodesk Inventor、SolidWorks、CATIA、Pro/E、AutoCAD或UGNX。

3.根据权利要求1所述的一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，其特征在于：所述的步骤2)中计算机辅助工程CAE软件，包括ANSYS、ABAQUS、MATLAB、COMSOL、icepark、flotherm、MicroWave Studio、HFSS或Mafia。

4.根据权利要求1所述的一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，其特征在于：所述的步骤3)、步骤4)中数值分析计算软件与路径优化软件，包括MATLAB、C#、C++或Fortran。

5.根据权利要求1所述的一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，其特征在于：所述的步骤5)中3D打印路径生成软件，包括ReplicatorG、RepetierH、Cura、XBuilder、MakerBot、Slic3r或Simplify3D。

6.根据权利要求1所述的一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，其特征在于：所述的步骤6)中所选用的连续纤维增强复合材料的树脂基体中，包括聚乳酸(PLA)、ABS、尼龙、聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)的热塑性树脂材料；所选用的连续纤维增强复合材料的纤维增强相包括碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维的连续纤维材料及铜丝、银丝的金属丝束。