一种3D打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种3D打印制备金属基复合材料的方法，它涉及一种利用3D打印成形技术制备纤维增强金属基体复合材料的工艺方法。本发明专利技术是为了解决柔性导向三维织造技术中导向柱升降及排布不够灵活、长纤维增强金属基体复合材料中零件预制体织造难度大、金属液浸渗预制体工艺复杂、成本高、成品率低等问题。主要方法为：以多种金属和长纤维为原材料，在三维织造纤维预制体的过程中采取3D打印成形技术打印成形导向柱，以逐层编织逐层打印的方式制备零件。该方法实现了长纤维增强金属基复合材料的纤维织造与金属液浸渗成形一体化，大幅度提高了零件的制造效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种长纤维增强金属基复合材料的新工艺，特别是利用3D打印成形技术和三维织造成形技术制备形状复杂、变截面零件的工艺方法。
技术介绍
纤维增强金属基复合材料具有轻质、比强度高、耐磨性强、比模量高、耐高温性能好、抗老化等优良的综合性能，在先进武器、航空航天等领域有着广阔的应用前景，同时金属基复合材料逐渐地从军事国防向民用领域渗透，如今已在陆上运输、民航、工业和体育休闲产业等诸多领域实现商业化的应用。目前，金属基复合材料的制备方法主要有液态制备法和固态制备法，液态制备法主要有搅拌溶铸法、液态浸渗法、喷射沉积法。固态制备法主要包括粉末冶金法、热压法等。但是这些方法都有较明显的局限性，比如，液态金属搅拌熔铸法的基本原理是将增强颗粒直接加入基体金属熔体中，通过一定的搅拌方式使颗粒均匀地分散于金属基体中，然后浇铸成锭坯、铸件等，但这种方法对于长纤维增强材料并不适用，另外，该方法不能实现复合材料性能可设计性这一突出特点；液态浸渗法是先将增强相做成预制件，用惰性气体或机械化装置作为压力媒体将金属液压入预制件的孔隙中，凝固后即成复合材料，此种方法对于结构比较复杂的零件不适用，而且制造成本较高，对零件的尺寸要求严格。粉末冶金法是最早用来制备金属基复合材料的一种固态制备法，可以制备复合材料坯锭以供挤压、轧制、锻压和旋压而最终成形，但粉末冶金法只适用于制备各种颗粒或晶须增强的金属基复合材料，且其制备工艺复杂、成本较高，限制了复合材料的工业化、大规模生产。柔性导向三维织造技术能制造出形状较复杂、结构性能较好的零件预制体，但是由于预制体的形状复杂，常规浸渍工艺很难浸渍完全，容易导致成品制件出现浇不足、缩孔、缩松等严重缺陷。本专利将复合材料柔性导向三维织造技术与3D打印成形技术深度结合，能够实现金属基复合材料零件的分层快速成形，不仅能解决预制体浸渍困难问题，还能够解决复杂变截面零件成形问题，同时提高生产效率，降低生产成本。
技术实现思路
为了满足长纤维增强金属基复合材料的性能要求，保证纤维连续性，解决复杂变截面零件的织造问题。本专利技术提出一种基于3D打印快速成形的工艺方法制备三维织造长纤维增强金属基复合材料，该工艺方法可以实现长纤维增强金属基复合材料的纤维织造与金属浸渗一体化成形，可以高效快速的制备出形状复杂、截面变化的复合材料零件，且无需后期加工处理。本专利技术采用3D打印技术与柔性导向三维织造技术相结合制备长纤维增强金属基复合材料，具体包括以下步骤：（1）根据零件实际尺寸，完成零件的三维CAD建模，利用软件对零件的三维CAD模型进行分层处理并得离散化的二维层片信息；（2）计算机根据零件的性能需求，结合柔性导向三维织造技术原理，得到每个层面所需要导向柱的类型、材料、数量以及排布方式等打印成形信息，同时自动生成纤维三维织造路径的程序；（3）根据三维织造中导向柱的分布规律，根据零件的性能需求，结合3D打印成形技术原理，得到导向柱的打印程序和每个层面所需要金属的类型以及每层打印厚度的信息；（4）在真空条件下，3D打印成形机根据打印程序首先在可实时控温的工作平台上打印出第一层导向柱；（5）三维织造成形机根据三维织造程序以3D打印导向柱为导向完成一层纤维的编织，层间织造纤维的路径根据打印导向柱的排布以及零件对纤维排布的要求确定；（6）3D打印成形机根据打印程序完成一层织造纤维间的金属喷射沉积成形；（7）一层成形完毕后，形成新的成形表面，3D打印成形设备上移，距离为下一层导向柱的高度；（8）3D打印成形机在当前金属沉积层的表面打印导向柱，所有层间导向柱的参数根据具体零件性能的具体要求而变化；（9）重复步骤5~8直至零件制备完成。所述导向柱是根据零件层片信息要求通过3D打印技术制得，导向柱的材质、数量、高度以及分布根据零件当前层信息调整；根据导向柱在当前层中所处位置不同，可以改变导向柱的截面形状和方向。所述织造纤维是碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、氮化硼、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或几种。每层纤维以当前层打印的导向柱为导向进行织造，每层织造纤维的路径根据零件当前层信息相应调整。根据零件性能的不同需求，对每层可以选择一种或多种金属打印成形。每层喷射沉积金属的厚度与当前层导向柱高度相同，3D打印成形设备每次打印完成后上升的高度为下一层导向柱的高度。所述工作平台处于真空或惰性气体保护中。本专利技术采用3D打印成形技术与三维柔性导向织造技术相结合制备长纤维增强金属基体复合材料，能够根据零件的需要实现导向柱的灵活打印，以及纤维的灵活织造，可以实现复杂变截面金属基复合材料零件的一次成形，提高了工作效率，同时降低成本。附图说明图1是本专利技术的工艺流程图；图2是实施例1中的三维模型图；图3是实施例1中的工艺示意图，图中1为工作平台，2为打印成形的导向柱，3为织造纤维，4为填充金属；图4是实施例2中的三维模型图。具体实施方式本专利技术利用3D打印成形技术与三维柔性导向织造技术相结合制备长纤维增强金属基复合材料，能够根据零件的性能需要实现导向柱的灵活排布，可以更加灵活地完成纤维的三维织造，能够实现复杂变截面金属基复合材料零件的一次成形。实施例1：本实施例使用本专利技术方法制长纤维增强金属基复合材料的皮带轮零件，步骤如下：（1）首先建立皮带轮的三维CAD模型如图2所示；（2）对零件的三维CAD模型进行分层信息处理，得到二维层片的离散信息；（3）根据步骤（2）中得到的零件二维层片信息，进行3D打印成形以及纤维三维织造路径的设计；（4）根据零件的层片信息，采用T300-1k碳纤维与铝合金为成形材料；（5）打印设备在工作平台上打印一层导向柱（图3所示2为打印成形的导向柱）；（6）三维织造成形设备根据既定程序以当前层导向柱为导向进行纤维的三维织造，一层织造完成后，进行金属喷射沉积成形，金属层厚度为当前层导向柱高度；（7）3D打印成形设备上移，距离为下一层导向柱的高度；（8）根据零件的需要，确定导向柱为圆柱形、直径从0.5mm-2mm不等，间距从1mm-2mm不等、每层高度从0.5mm-1mm不等，依据选定参数在上一打印层上打印导向柱；（9）重复步骤6~8直至零件完成。实施例2：该实施例采用本专利技术方法制备圆环形零件如图4所示，与实施例1所不同的是该实施例中零件不存在变截面情况，步骤4中使用T300-3k碳纤维，步骤6中导向柱采用圆柱形，直径为1.5mm，间距为1.5mm，每层高度为1mm，其余均同实施例1中相同。以上对本专利技术及其实施方式的描述是示意性的，没有限制性。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本专利技术创造宗旨的情况下，进行其他实施例，均应属于本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种3D打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法，其特征在于，以长纤维束和多种金属为成形原材料，根据零件的轮廓和层片信息，利用3D打印成形技术完成每层导向柱的打印以及纤维层间金属的喷射沉积成形，利用三维织造成形技术根据零件的轮廓和层片信息完成纤维编织，具体包括以下步骤：（1）根据零件实际尺寸，完成零件的三维CAD建模，利用软件对零件的三维CAD模型进行分层处理并得到轮廓和层片以及零件相关材料信息；（2）将零件的轮廓和层片信息输入到成形机的控制系统中，系统自动生成零件的3D打印导向柱以及纤维三维织造路径程序；（3）3D打印成形机根据打印程序首先在工作平台上打印出一层导向柱；（4）三维织造成形机根据三维织造程序以步骤（3）打印的导向柱为导向完成对应层纤维的编织；（5）3D打印成形机根据打印程序完成该层织造纤维间的金属沉积成形；（6）一层成形完毕后，形成新的成形表面，打印成形设备上移一定高度；（7）重复步骤3~6直至零件制备完成。

【技术特征摘要】
1.一种3D打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法，其特征在于，以长纤维束和多种金属为成形原材料，根据零件的轮廓和层片信息，利用3D打印成形技术完成每层导向柱的打印以及纤维层间金属的喷射沉积成形，利用三维织造成形技术根据零件的轮廓和层片信息完成纤维编织，具体包括以下步骤：
（1）根据零件实际尺寸，完成零件的三维CAD建模，利用软件对零件的三维CAD模型进行分层处理并得到轮廓和层片以及零件相关材料信息；
（2）将零件的轮廓和层片信息输入到成形机的控制系统中，系统自动生成零件的3D打印导向柱以及纤维三维织造路径程序；
（3）3D打印成形机根据打印程序首先在工作平台上打印出一层导向柱；
（4）三维织造成形机根据三维织造程序以步骤（3）打印的导向柱为导向完成对应层纤维的编织；
（5）3D打印成形机根据打印程序完成该层织造纤维间的金属沉积成形；
（6）一层成形完毕后，形成新的成形表面，打印成形设备上移一定高度；
（7）重复步骤3~6直至零件制备完成。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印制备长纤维增强金属基复合材料的方法，其特征在于，所述导向柱是根据零件层片信息要求通过3D打印技术制得，导向柱的材质、数量、高度以及分布根据零件当前层信息调整。
3....

【专利技术属性】
技术研发人员：单忠德，刘丰，战丽，李志坤，乔娟娟，
申请(专利权)人：机械科学研究总院先进制造技术研究中心，
类型：发明
国别省市：北京;11