[发明专利]一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法

摘要

一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，利用计算机辅助设计软件，根据功能调控结构材料制件的外形特征，建立制件的三维模型，然后导入计算机辅助工程软件对制件进行相应性能分析，并对关键特征区域进行功能调控设计，绘制出纤维轨迹的曲线；再对其纤维轨迹进行算法优化，并考虑3D打印中的工艺手段，对纤维轨迹再进行调整，得到最终纤维轨迹曲线，根据轨迹曲线生成制件的3D打印路径指令文件；最后将指令文件导入到连续纤维增强复合材料3D打印机中，完成功能调控结构材料的制备；本发明可实现复合材料中纤维路径与含量的动态控制，完成变刚度纤维复合材料、热传导可调控材料与电磁可调控材料等功能调控材料的可设计性制造。

主权项

1.一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立三维模型：利用计算机辅助设计CAD软件，根据功能调控结构材料制件的外形特征，建立制件的三维模型，若制件结构简单，则直接进行下一步；若制件结构复杂，则按其结构特征分割为不同的结构模块，再分别对这些结构模块进行下一步操作；2)性能分析与模拟：将三维模型导入计算机辅助工程CAE软件中，对所要制备的功能调控结构材料样件进行静力学、热力学、电磁学的性能分析，同时根据其具体工况下的环境特征进行模拟仿真，并根据分析模拟结果提取制件的主应力场、热场、电磁场的特征曲线；3)纤维轨迹生成：根据步骤2)得到的主应力场、热场、电磁场的特征曲线的分布特征，对其应力集中区域、热场流动变化、电磁场流动变化的关键区域进行功能调控设计，即进行纤维路径与含量的调整，得出用于描述纤维轨迹的曲线；4)纤维轨迹优化：首先，利用数值计算分析软件对纤维轨迹进行算法优化，其中优化的算法包括最小二乘法、细胞自动机CA及遗传算法，从而得到制件的算法优化轨迹；其次，考虑3D打印中的工艺手段，对纤维轨迹再进行优化调整，包括纤维方向角、纤维铺放密度、打印扫描间距及打印厚度的参数，得到最后的纤维轨迹曲线；5)生成制件路径：将步骤1)中的制件三维模型导入到计算机辅助制造CAM软件中，根据步骤4)得到的纤维轨迹曲线生成制件的3D打印路径，同时根据3D打印工艺，计算出打印时的各项工艺参数，得到最后的3D打印指令文件；6)完成3D打印制备：将步骤5)生成的3D打印指令文件导入到连续纤维增强复合材料3D打印机中，根据路径与工艺参数信息，完成功能调控材料结构材料的制备。