[发明专利]基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3D打印方法

说明书

本发明公开了一种基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3D打印方法，属于3D打印设计技术领域。本发明在进行纤维增强复合材料3D打印时使用基体材料对纤维间隙进行填充，具体包括后填充基体材料法和预填充基体材料法两种。本发明中设计的纤维铺放轨迹仅与零件的需求有关，纤维间隙通过基体材料填充；可根据零件的强度需求自由调整纤维体积含量，打印低纤维含量零件，减少强度过度冗余和纤维浪费，节约了成本；同时，本发明可以在曲面上铺放纤维，实现纤维增强复合材料曲面零件的3D打印。

技术领域

本发明涉及纤维增强复合材料3D打印技术领域，具体涉及一种基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3D打印方法。

背景技术

纤维增强复合材料是由玻璃纤维或碳纤维等高性能纤维与树脂等基体材料混合，经过一定的加工工艺复合而成的非金属材料。纤维增强复合材料制造的零件具有比强度高，比模量大，材料性能具有可设计性，抗腐蚀性和耐久性能好等优点，已成为现代工业，尤其是航空航天、国防军事、汽车赛车、机器人和医疗领域的一种重要的结构用材，其发展十分迅速。

3D打印，也称为增材制造，是根据所设计的3D模型，通过3D打印设备逐层增加材料来制造三维产品的技术。由于其具有较好的打印自由度，在工业生产及日常生活中越来越具有实际应用价值。

传统的纤维增强复合材料3D打印方法为纯纤维打印方法，在打印层无间隙地铺放纤维材料，所述纤维材料采用预浸润的纤维材料或通过其他方式(如CN 105172144 B一种连续纤维增强复合材料3d打印的多级送丝打印头)与基体材料结合过的纤维材料，由于零件的孔隙会降低零件的抗拉强度、剪切强度等力学性能，使用所述纯纤维打印方法在设计纤维打印轨迹时，不仅要考虑零件的受力方向等因素，还要保证零件的低孔隙率。如：在一个受沿轴向拉力的圆台侧面打印纤维时，很明显，在纤维体积含量相同的情况下，沿圆台母线打印纤维会得到最好的抗拉强度。但由于沿母线方向打印会在纤维间产生间隙，所以使用纯纤维打印方法打印零件时，不会采用此种轨迹，而会更倾向于采用沿圆台侧面缠绕等低间隙的纤维打印轨迹。虽然采用所述纯纤维打印方法得到的零件也可以达到所需力学性能要求，但由于相同体积的纤维材料价格一般高于基体材料，采用所述纯纤维打印方法并不经济。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3D打印方法，在进行纤维增强复合材料3D打印时使用基体材料对纤维间隙进行填充，具体包括后填充基体材料法和预填充基体材料法两种。

本发明提供的一种基体材料填充纤维间隙的纤维增强复合材料3D打印方法中，所述基体材料填充纤维间隙的方法有二种，分别为：

第一种，采用后填充基体材料法：先按照事先设计的纤维铺放轨迹，在打印面上铺放纤维，然后按照基体材料填充轨迹将基体材料填充于纤维间隙中。

在基体材料填充过程中，可以先按照纤维轨迹生成基体材料填充轨迹，再将基体材料按照填充轨迹填充于纤维间隙中，所述基体材料填充轨迹与纤维铺放轨迹平行；

在基体材料填充过程中，也可以直接在纤维上打印基体材料，打印基体材料方向与纤维铺放轨迹方向夹角大于零，打印机喷头紧贴纤维表面，通过打印机喷头与纤维间的压力，将基体材料挤压于纤维间隙中，实现对纤维间隙的填充。

第二种，采用预填充基体材料法：先根据需求设计纤维铺放轨迹，再将纤维铺放轨迹朝产生间隙侧不断等距偏移，生成与纤维铺放轨迹相平行的基体材料填充轨迹，在打印面上按照填充轨迹先打印基体材料，预留出供纤维铺放的轨迹凹槽，再将纤维铺放在预留的轨迹凹槽中。

上述的3D打印方法中，所述打印面为平面或曲面。所述纤维为基体材料浸润过的连续长纤维。所述3D打印所打印的零件包括低纤维含量零件与曲面零件。

本发明的优点在于：