[发明专利]一种连续纤维增强复合材料的原位编织增材制造方法

说明书

一种连续纤维增强复合材料的原位编织增材制造方法，先对三维构件的数据进行分层离散，得到打印和编织所需的制造数据；然后对待编织的纤维丝进行预分组与预定型：再利用连续纤维增强复合材料打印技术完成打印动作，形成打印层；在喷头移动的同时，导线器快速在喷头后端还未固化的路径上进行编织动作，此时，混合物中的树脂对纤维丝进行浸渍和固化，在打印层上形成编织层；重复打印和编织，直到达到目标样件层厚，即完成了对目标样件的打印和编织的一体化制造过程；本发明可在简单机构且无模具的条件下，实现复杂结构的高性能连续纤维增强复合材料构件打印成型和纤维编织过程的集成与统一，实现对构件各向性能，尤其使z向层间结合性能的可控性。

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种连续纤维增强复合材料的原位编织增材制造方法。

背景技术

连续纤维增强复合材料是航空航天、国防军工等领域的重要支撑，其使用量成为衡量相关领域先进程度的重要指标，其制造技术是关键。目前，按照结构划分，连续纤维增强复合材料的制造技术包括层压/缠绕工艺和编织工艺。其中，层压/缠绕工艺较为简单，适用范围广，但存在材料层间结合强度低、性能各向异性等问题。编织工艺利用编织方法制作三维分布的纤维预制体，再利用热压等方法浸渍树脂得到复合材料，可制造材料性能均衡的构件，但纤维编织工序复杂，且难以实现复杂结构的制造。

近年来，研究人员发明了连续纤维复合材料的增材制造方法(田小永等.中国专利ZL2014103256503，2014年；单忠德等.中国专利CN106515041A，2017年；李隆球等.中国专利CN106493946A，2017年；中国专利CN107127972A，2017年)，解决了传统连续纤维复合材料制造中需要模具、工序复杂、复杂结构难以实现等难题。但是，现有复合材料增材制造方法均基于层压/缠绕工艺，依然存在材料层间结合强度、性能各向异性等问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种连续纤维增强复合材料的原位编织增材制造方法，可在无模具条件下，实现复杂结构的高性能连续纤维增强复合材料构件打印成型和纤维编织过程的集成与统一。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种连续纤维增强复合材料的原位编织增材制造方法，包括以下步骤：

a)对三维构件的数据进行分层离散：对目标样件8的三维数据进行离散处理、路径规划、工艺参数设定，得到打印和编织所需的制造数据；

b)对待编织的纤维丝进行预分组与预定型：纤维丝3的分组由编织器的分组完成，编织器是由若干导线器5的集合组成，对纤维丝3的分组即为对连接纤维丝3的导线器5的分组排列；在打印过程中，纤维丝3的一端固定在打印层1上，纤维丝3的另一端则被分别安装到不同的导线器5上，导线器5进行独立运动，带动纤维丝3进行相应的编织动作；编织器之间不发生空间干涉，且其编织操作与打印操作也不发生空间干涉；

纤维丝3的预定型由目标样件8的形状决定，并且在预定型之前由导线器5前端的绕线器4给予纤维丝3预紧力将其拉紧，编织器的编织形式由目标构件8的扫描方式和扫描轨迹决定，即编织器的拓扑结构与当前打印层/编织层的拓扑结构相同；

c)形成打印层：利用连续纤维增强复合材料打印技术完成打印动作，即由喷头6挤出的纤维/熔融树脂混合物7，在喷头6沿扫描路径的运动过程中，采用步骤a)的打印参数，挤出的纤维/熔融树脂混合物7在脱离喷头6以后逐渐冷却固化，形成打印层1；

形成编织层：在喷头6移动的同时，导线器5快速在喷头6后端还未固化的路径上进行编织动作，并在导线器5完成编织后，利用导线器5前端的绕线器4对纤维丝3有一个拉紧动作；此时，混合物中的树脂对纤维丝3进行浸渍和固化，在打印层1上，不同组的导线器5在扫描轨迹上围绕喷头6经过的原位区域进行编织，形成编织层2；