[发明专利]一种层间微细棒增强连续纤维增强复合材料增材制造方法

说明书

一种层间微细棒增强连续纤维增强复合材料增材制造方法，先完成复合材料的制备和成型的一体化过程，得到目标制件；再由纤维浸渍树脂，经微径杆拉挤工艺成型，经过裁剪制得微细棒；然后将微细棒材装载入射钉枪内，射入已预先经过环境加热软化过的目标制件中；如果目标制件为厚度小于3cm的板类零件，则只需要完成一次微细棒的嵌入；否则需要完成一次以上微细棒的嵌入，直至目标制件厚度达到目标要求；最后将植入过微细棒的目标制件放入恒温腔室内进行加热后处理，以利于目标制件与微细棒形成较好的结合界面；本发明实现了各向性能均衡或可控的高性能连续纤维增强复合材料挤出成型构件的快速制造。

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种层间微细棒增强连续纤维增强复合材料增材制造方法。

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，依然存在材料层间结合强度、性能各向异性等问题，限制了复合材料面内力学优势的发挥，特别是航空航天领域，对复合材料的三维增强技术的需求尤为迫切。

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层间微细棒增强连续纤维增强复合材料增材制造方法，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的基础上，实现了对于复合材料的层间增强。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种层间微细棒增强连续纤维增强复合材料增材制造方法，包括以下步骤：

a)复合材料的制造：利用连续纤维增强复合材料挤出成型的增材制造工艺，完成复合材料的制备和成型的一体化过程，得到目标制件1，目标制件1的具体参数由建模模型决定；

b)微细棒的制备：由纤维浸渍树脂，经微径杆拉挤工艺成型，即在牵引装置的作用下经过模具加温预浸并在烘道中冷却固化后收卷，经过裁剪制得微细棒3；

所使用的纤维和树脂种类由实际应用的场合和目标制件1的材料种类来决定，纤维包括碳纤维和芳纶纤维；

c)微细棒的嵌入：将微细棒3材装载入射钉枪2内，利用高压气流的作用，将微细棒3射入已预先经过环境加热软化过的目标制件1中，植入的密度和深度由实际应用需求决定；

d)复合材料的循环增强：如果目标制件1为厚度小于3cm的板类零件，则只需要完成一次微细棒的嵌入；如果目标制件1是厚度大于3cm的体状零件，由于微细棒3的长度受限，需要打印厚度小于等于3cm时就嵌入一次微细棒3，再继续打印小于等于3cm的厚度后继续嵌入微细棒3，具体的循环打印厚度由实际操作中所使用的微细棒3的长度决定，直至目标制件1厚度达到目标要求；

e)层间增强制件的后处理：将植入过微细棒3的目标制件1放入恒温腔室内进行加热后处理，加热温度维持于基体树脂的玻璃化温度以上5分钟以上，以利于目标制件1与微细棒3形成较好的结合界面。