[发明专利]一种陶瓷基复合材料3D打印成型装置和打印成型方法

说明书

本发明公开了一种陶瓷基复合材料3D打印成型装置，包括机架、纤维纺丝系统、铺料系统、固化成型系统和控制单元；纤维纺丝系统包括纤维聚合物料盒、纤维喷头、滑块、X‑Y平面运动机构和高压电源；高压电源在纤维喷头与成型平台之间施加高压电场，使纤维聚合物料盒内的连续纤维材料采用静电纺丝技术经由纤维喷头铺设在成型平台上；铺料系统包括相互连接的基体材料料盒和基体材料喷头；基体材料料盒内的基体材料经基体材料喷头铺设在成型平台上，包裹预铺设的连续纤维材料。本发明利用静电纺丝喷头与液态树脂喷头协同工作实现连续纤维增强复合材料光固化成型，使连续纤维与基体材料在成型过程中原位转化生成，具有设备简单，材料设计自由度高等特点。

技术领域

本发明涉及连续纤维增强复合材料增材制造成型技术领域，具体而言涉及一种结合静电纺丝技术的陶瓷基复合材料3D打印成型装置和打印成型方法。

背景技术

连续纤维作为增强相能够显著提高复合材料的力学性能，常用的基体材料包括高分子材料与陶瓷材料。传统的连续纤维增强聚合物复合材料的制备方法主要为连续纤维浸渍模压成型，连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法主要为化学气相渗透、沉积成型等方式。这些成型方式无法制备出形状复杂的制件，成型自由度低。

增材制造技术的出现为复杂形状制件的制备提供了可能，目前针对连续纤维增强复合材料的增材制造技术主要集中在纤维增强聚合物的增材制造上，且主要使用熔体材料包覆市售的连续纤维长丝实现材料的复合，材料的设计自由度低，且纤维与基体的结合强度弱。

专利号为CN108858660A的发明中提及一种连续纤维增韧陶瓷基复合材料增材制造装置及其制造方法，对陶瓷材料内部结构的数字化控制，通过刮刀、纤维挤出头与基板的交替工作，将长纤维规律的嵌入陶瓷基体，大幅改善了陶瓷材料的内部结构并提高了产品的精度和成型速率。该发明需要借助刮刀将材料成型区内的高粘度流体陶瓷复合材料整平，纤维与基体的结合强度也不高。

专利号为CN108372658A的发明中提及一种基于高能束选区熔化成形技术的连续纤维增强复合材料及零件的制备方法。采用基于粉末床的高能束选区熔化成形技术，将连续纤维和基体粉末分层布置，连续纤维的熔点高于基体粉末熔点，设定合适的高能束加工参数，保证高能束能够熔化基体粉末但不熔化连续纤维。高能束根据规划路径逐层选区熔化基体粉末，实现基体和连续纤维的紧密结合，最终实现连续纤维增强复合材料及零件的高度自动化、柔性化和精细化制备。但为了防止制备过程中复合材料的氧化，制备过程需要在真空或惰性气体保护环境中进行；同时，需要铺设两层基体粉末层，连续纤维层的控制精度不高，设计自由度低。

因此，亟需提出一种新的陶瓷基复合材料3D打印成型装置与方法，改善纤维与基体的结合强度，同时提高整个打印成型过程的控制精度和设计自由度。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种陶瓷基复合材料3D打印成型装置与方法，利用静电纺丝喷头与液态树脂喷头协同工作实现连续纤维增强复合材料光固化成型，使连续纤维与基体材料在成型过程中原位转化生成，具有设备简单，材料设计自由度高等特点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种陶瓷基复合材料3D打印成型装置，所述装置包括机架、纤维纺丝系统、铺料系统、固化成型系统和控制单元；

所述固化成型系统包括激光扫描机构、成型平台、成型缸和Z轴升降机构；所述激光扫描机构位于成型平台的上方；所述成型平台安装在成型缸顶部，与Z轴升降机构连接并可随Z轴升降机构做间歇性Z轴上下线性运动；

所述纤维纺丝系统包括纤维聚合物料盒、纤维喷头、滑块、X-Y平面运动机构和高压电源；所述聚合物料盒与纤维喷头互相连接并且均固定在滑块上，滑块安装在X-Y平面运动机构上并可沿X方向滑动；所述高压电源与控制单元电连接，用于根据控制单元的控制指令在纤维喷头与成型平台之间施加高压电场，使纤维聚合物料盒内的连续纤维材料采用静电纺丝技术经由纤维喷头铺设在成型平台上；