[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

说明书

一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，利用计算机辅助设计软件，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，然后导入计算机辅助工程软件对制件进行相应性能分析，并对关键特征区域进行功能调控设计，绘制出纤维轨迹的曲线；再对其纤维轨迹进行算法优化，并考虑3D打印中的工艺手段，对纤维轨迹再进行调整，得到最终纤维轨迹曲线，根据轨迹曲线生成制件的3D打印路径指令文件；最后将指令文件导入到连续纤维增强复合材料3D打印机中，完成功能调控结构材料的制备；本发明可实现复合材料中纤维路径与含量的动态控制，完成变刚度纤维复合材料、热传导可调控材料与电磁可调控材料等功能调控材料的可设计性制造。

技术领域

本发明涉及连续纤维增强复合材料3D打印技术领域，具体涉及一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法。

背景技术

纤维增强复合材料作为一种各向异性材料，与金属合金材料相比，具有高比强度、高比模量、可设计强及多功能融合等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶和风力发电等领域。随着新的复合材料制造技术的发展，如变角度纤维丝束(Variable angle tow，VAT)铺放、连续纤维增强复合材料3D打印等，突破传统复合材料丝束单一直线方向铺放的限制，实现纤维丝束的曲线布局，为高性能复合材料的制造提供创新的高性能解决方案。

随着各学科技术的发展与生产需求，设计制造出机-电-热一体化的功能调控材料已经成为航空航天、船舶等领域的迫切需求。现有的功能调控材料以对于刚度、热传导、电磁性能的可控设计研究居多。在各类复合材料层合板的使用当中,为满足连接或安装设备的要求,不可避免的在层合板上设计一些具有整体形状缺陷的结构，例如开一些孔洞等。如何最大化纤维增强复合材料强大的可设计性，使得结构局部刚度分布与工况条件下的载荷分布对应，解决结构局部区域应力集中问题，提高结构整体的承载能力和材料的使用效率，是未来发展的重要方向，这种局部刚度非均匀分布的材料被称为变刚度复合材料，此材料由于可通过控制纤维含量对零件结构内部的刚度进行设计，因此可得到力学性能更高的制品。其次，根据零部件的特征在其内部添加导热/导电纤维如金属丝、碳纤维等，可得到热传导与电磁性能可调控的功能结构，如何改变结构内部的热传导方式与电磁性能，做到对于热、电磁的灵活设计与调控，也是研究的一大热点与难点。要实现此类多功能调控结构的制造，通常需要采用多种材料复合，通过可控添加碳纤维、金属丝、金属片或者金属网等功能材料，对零件结构的刚度、传导系数、介电常数等性能进行局部调控，获得具有非均匀材料或结构分布的功能性零部件。由于其材料异质性与各向异性以及VAT制造工艺限制，使得功能调控设计过程十分复杂，但其应用前景十分诱人。

然而，受制于设计手段与制造工艺的限制，面向功能调控的复合材料结构创新设计与自动化制造技术长时间处于探索阶段，主要研究难点在于：

(1)现有的可用于变刚度纤维复合材料的制备方法如变角度纤维丝束(VAT)铺放，无法实现对局部纤维结构进行精确铺放以及纤维大角度变化铺放，因此难以完全实现变刚度复合材料的复杂纤维路径与含量动态控制。

(2)对于热传导与电磁性能的调控方法，现阶段主要使用金属片或者金属网等金属结构来改变其传递方式。但此方法只能对于局部区域进行功能调控，并不能制备出形状特征复杂的热传导可调控材料与电磁可调控材料，且制造工艺还处于研究阶段，不具有应用的广泛性与可操作性。