[发明专利]一种基于3D打印制备预制体的方法

说明书

本发明公开了一种基于3D打印技术制备预制体的方法，其步骤为：首先确定所需打印的预制体结构，采用三维建模软件建立预制体模型，然后运用布尔运算，反向求导出预制体纤维束作为孔道的基体模型。所述基体模型中的孔道根据预制体模型中纤维束空间走向形成，采用3D打印所述基体模型获得预制体骨架，在骨架中植入纤维束，最后把骨架溶解去除，留下纤维束形成预制体。由于纤维束空间相互交结支撑，当骨架溶解后，纤维束不会散，该方法避免了采用编织方式制备预制体时工艺复杂，设备尺寸大，纤维束损伤大等问题。

技术领域

本发明属于预制体制备技术领域，具体涉及一种采用3D打印技术制备预制体的方法。

背景技术

预制体沿相互垂直 X、Y、Z 轴方向上纤维束含量可灵活设计，预制体经复合加工后，赋予材料优异的热力电等性能。因此，复合材料的增强结构或支撑预制体的形状结构及其品质基本决定了复合材料的性能。预制体主要特点是：1，纤维束在制件中相互交织、多方向取向，从而形成一个整体的结构，使制件在各个方向、特别是在厚度方向上得到增强，避免了分层。2，可以直接仿形编织出各种形状、不同尺寸的三维整体异型制件，例如三维整体厚壁圆管、圆环、锥套体、工型梁、T型梁、L型梁、盒型梁等。用其制成的复合材料制件不需再加工，避免了加工造成的纤维束损伤。3，可以使用各种高性能纤维，如碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、芳纶纤维、玻璃纤维以及普通纤维等进行编织。因此，预制体技术近年来得到迅速的发展，并成为航空、航天等高技术领域所使用复合材料构件的关键制备技术之一，具有很好的发展前景。

目前预制体虽然满足了航空航天、轨道交通等领域用复合材料的需求。但是，由于采用编织方式制备，工艺复杂，对设备要求高、尺寸大，周期长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用3D打印技术制备预制体的方法。同时，可便于通过设计不同纤维束直径（细度）改变单元大小，且不改变单元个数，进而实现不同预制体的研制需求。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于3D打印技术制备的预制体及其方法，包括如下步骤：采用逆向法，首先确定所需打印的预制体结构，采用三维建模软件建立预制体模型，采用布尔运算，根据预制体模型，反向求导建立基体模型，该基体模型中的孔道根据预制体结构中纤维束的空间走向形成，采用3D打印技术制备所述基体模型，在打印出的预制体骨架的孔道里植入纤维束，最后把预制体骨架溶解去除，留下纤维束，形成所述预制体。

较佳的，预制体结构包括正交三向结构、2.5D结构、三维多向结构，或其中任意两种或三种结构的叠加结构。

较佳的，根据所需打印的预制体结构，通过三维建模软件，首先建立预制体单胞模型，设定单胞尺寸，该单胞为预制体最小单元内纤维束的排布，设计完单胞后，根据预制体外形和尺寸，建立整体预制体模型，其中，单胞结构包括正交三向结构、2.5D结构和三维多向结构中的一种或几种结构的组合结构。

具体的，所需打印的预制体结构为正交三向结构，如平面多取向结构，以X、Y、Z三方向纤维束规格、间距等作为建模参数，通过三维建模软件，首先建立预制体单胞结构模型。

具体的，所需打印的预制体结构为2.5D结构，包括以平纹、斜纹、缎纹为基础的2.5D浅交直连、浅交弯连、深交连等所有具有2.5D结构特征的衍生结构，以经纬密、经纬纱规格、体积含量、结构类别作为建模参数，通过三维建模软件，首先建立预制体单胞结构模型。

具体的，所需打印的预制体结构为三维多向结构，包括三维四向、三维五向、三维六向等等，以母向花节长度、周向花节长度、厚度方向花节长度等作为建模参数，通过三维建模软件，首先建立预制体单胞结构模型。

较佳的，根据预制体模型，反向求导建立基体模型，该基体模型中的孔道根据预制体纤维束的空间走向形成，孔道可为直通道、斜直通道、弯曲通道等中任意一种或几种。