一种增减材复合的连续纤维复合材料成形方法及所用装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种增减材复合的连续纤维复合材料成形方法及所用装置。本发明专利技术采用首先熔融沉积成形方式进行连续纤维增强复合材料增材制造成形，树脂丝材和连续纤维分别进入打印头并熔融沉积，完成成形后对零件实际尺寸进行尺寸和形貌数据采集，以此规划减材路径，由激光器进行减材成形。本发明专利技术对连续纤维复合材料采用了增减材复合成形，采用熔融沉积进行增材成形，采用了激光减材加工，简化了设备结构，减小了加工应力和机械变形，对零件进行三维测量和减材规划，提高了自动化程度，综合提高了连续纤维复合材料零件的成形精度。连续纤维复合材料零件的成形精度。连续纤维复合材料零件的成形精度。

【技术实现步骤摘要】
一种增减材复合的连续纤维复合材料成形方法及所用装置


[0001]本专利技术属于增减材复合制造
，尤其涉及一种连续纤维复合材料增减材复合成形方法及所用装置。

技术介绍

[0002]复合材料因其优异的性能，研究发展呈现较快的增长趋势，两种或两种以上的材料可以进行性能的互相弥补获得更优越的性能。传统的连续纤维复合材料成型制造，一般需要经过一系列复杂、低效的工艺流程，限制了连续纤维复合材料的构件形状和应用范围，同时工艺过程包含高温、化学分解等，对环境有污染性。
[0003]熔融沉积成形(FDM)通过在打印喷头处加热树脂丝材使其熔融，然后在挤出机构的作用下材料被挤出，逐渐冷却固化沉积在打印平台上，一层打印完成后进行下一层的打印，层层叠加得到最终实体。相比传统的纤维增强树脂基复合材料的成型工艺，采用FDM工艺进行连续纤维复合材料3D打印，成型过程简单，材料利用率高，且不依赖于模具制造成型，可实现复杂结构零件的一体化成形。但FDM工艺打印零件存在台阶效应，而且成形效率受零件尺寸限制，分层厚度越大零件成形越快，但台阶效应越严重，尺寸精度和表面质量都会受影响。
[0004]针对成形精度误差，可采用增减材复合制造的方式，但传统的车铣等减材方式需要设计夹具来固定零件，又增加了设备的复杂程度，工作平台构造复杂，夹具固定零件也会造成零件受力变形，且针对不同树脂和纤维材料需针对刀具材料、切削工艺进行研究优化，流程复杂耗时，切削工艺和刀具材料选择不当可能会破坏零件。

技术实现思路

[0005]鉴于上述现有技术中所存在的问题，本专利技术的目的是研究设计一种新的增减材复合的连续纤维复合材料成形方法，以提高FDM工艺打印连续纤维复合材料件的成型精度。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提出了一种增减材复合的连续纤维复合材料成形方法，该方法包括如下步骤：
[0007](1)将待制造零件的三维模型转化为STL格式文件，将STL格式文件进行切片以获得各个层的轮廓信息，并规划增材路径；
[0008](2)连续纤维和热塑性树脂丝材进入打印喷头，通过熔融挤压被挤出，沉积在成型平台上，根据当前层片信息，喷头按照设计的增材路径运动打印连续纤维和热塑性树脂材料，完成当前层打印后，成形平台下降一层高度，重复此步骤完成零件增材制造；
[0009](3)通过三维测量装置对零件实际尺寸进行检测，与零件理想模型尺寸进行对比，同时采集零件外观形貌数据信息，获取零件表面缺陷，根据获得的尺寸差异数据和外观形貌数据规划减材路径；
[0010](4)通过激光器按照规划的减材路径对零件进行激光减材和轮廓精修，使最终成型零件与理想零件尺寸一致，完成零件增减材制造过程。
[0011]作为进一步优选的，所述增材路径规划时，轮廓路径向外偏置，使实际增材制造零件尺寸略大于理想模型尺寸，为减材制造留出余量；连续纤维在层切片轮廓内部进行填充打印，轮廓采用纯热塑性树脂基材料进行打印。
[0012]作为进一步优选的，所述连续纤维包括碳纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维、碳纳米管纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、金属纤维的一种或几种。
[0013]作为进一步优选的，所述热塑性树脂包括聚乳酸材料、ABS树脂材料、尼龙材料、聚碳酸酯材料、聚醚醚酮材料、聚芳醚酮材料、聚酰胺亚材料、PPSU材料、聚醚酰亚胺材料、聚亚苯基砜树脂材料中的一种或几种。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0015](1)对连续纤维复合材料采用了增减材复合制造方式，提高了FDM工艺打印的成形精度；采用了激光减材加工的方式，简化了设备结构，无需进行夹具设计或对成形平台进行特别设计；
[0016](2)优化了零件切片过程和连续纤维填充路径，纤维仅在内部增强，轮廓留出激光加工余量，避免了激光对纤维的破坏；
[0017](3)激光属于无接触加工，减小了加工应力和机械变形，可瞬时完成，加工效率高；激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状的自由度都很大，工艺研究过程相比于刀具切削加工大为简化。
[0018](4)使用了属于无接触式的双目相机进行零件尺寸测量和减材路径规划，无需人工进行观测和添加减材路径，提高了自动化程度，避免了测量对零件的干扰，并以此确定了减材制造的轨迹和位置，为减材制造的进行提供依据，进一步提高了零件的成形精度。
[0019]本专利技术同时提供了上述的增减材复合的连续纤维复合材料成形方法的所用装置，采用以下技术方案：包括成形平台、位于成形平台两侧的框架、位于框架上的第一横梁及第二横梁、位于第一横梁上的送丝机构及打印喷头、位于第二横梁上的激光器；所述两侧的框架均设有与第一横梁垂直延伸的第一纵梁及第二纵梁，所述第二纵梁位于第一纵梁上方；第一横梁及第二横梁均横跨在两侧第一纵梁上且沿着第一纵梁延伸方向往复移动；所述打印喷头沿第一横梁延伸方向往复移动；激光器在第二横梁延伸方向往复移动；两侧的第一纵梁上分别设有一个三维测量装置；该三维测量装置沿着第一纵梁延伸方向往复移动。
[0020]作为进一步优选的，所述三维测量装置为拍照式结构光三维扫描仪。
[0021]作为进一步优选的，所述激光器包括飞秒激光器、皮秒激光器、纳秒激光器中的一种。
[0022]作为进一步优选的，打印喷头在第一横梁的带动下按增材路径进行移动，通过送丝机构送丝使热塑性树脂材料进入打印喷头后被熔融，并浸渍连续碳纤维，一起沉积在成形平台上，完成当前层进行下一层成形，层层叠加完成增材成形过程，成形时零件轮廓只采用热塑性树脂进行增材成形，轮廓内部采用热塑性树脂和连续纤维进行增材成形。
[0023]作为进一步优选的，所述激光器包括飞秒激光器、皮秒激光器、纳秒激光器中的一种。
附图说明
[0024]图1为本专利技术实施的增减材复合的连续纤维复合材料成形方法流程图。
[0025]图2为增材路径规划示意图。
[0026]图3为增减材复合的连续纤维复合材料成形方法所用装置的立体图。
[0027]图4为所用装置的增材制造过程图。
[0028]图5为所用装置的减材制造过程图。
具体实施方式
[0029]为了更好的理解本专利技术，下面结合实施案例进一步阐明本
技术实现思路
，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施案例。此外，本
人员在阅读了本专利技术阐述的内容后可对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样适用于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0030]实施例一
[0031]如图1及图2所示，增减材复合的连续纤维复合材料成形方法流程参见图1，连续纤维选用碳纤维，热塑性树脂基体材料选择聚乳酸材料，按照以下步骤进行增减材复合制造。
[0032](1)对所需三维零件进行建模，并将其三维模型转化为STL格式文件，将STL格式文件导入切片软件进行切片以获得各个层的轮廓信息。
[0033](2)针对每层切片信息规划增材路径，并设定打印工艺参数，其中轮廓路径向外偏置一定距离，该本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种增减材复合的连续纤维复合材料成形方法，其特征在于，包括以下步骤:（1）将待制造零件的三维模型转化为STL格式文件，将STL格式文件进行切片以获得各个层的轮廓信息，并规划增材路径；（2）连续纤维和热塑性树脂丝材进入打印喷头，通过熔融挤压被挤出，沉积在成型平台上，根据当前层片信息，喷头按照设计的增材路径运动打印连续纤维和热塑性树脂材料，完成当前层打印后，成形平台下降一层高度，重复此步骤完成零件增材制造；（3）通过三维测量装置对零件实际尺寸进行检测，与零件理想模型尺寸进行对比，同时采集零件外观形貌数据信息，获取零件表面缺陷，根据获得的尺寸差异数据和外观形貌数据规划减材路径；（4）通过激光器按照规划的减材路径对零件进行激光减材和轮廓精修，使最终成型零件与理想零件尺寸一致，完成零件增减材制造过程。2.根据权利要求1所述的一种增减材复合的连续纤维复合材料成形方法，其特征在于，所述增材路径规划时，轮廓路径向外偏置，使实际增材制造零件尺寸略大于理想模型尺寸，为减材制造留出余量；连续纤维在层切片轮廓内部进行填充打印，轮廓采用纯热塑性树脂基材料进行打印。3.根据权利要求1所述的增减材复合的连续纤维复合材料成形方法，其特征在于，所述连续纤维包括碳纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维、碳纳米管纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、金属纤维的一种或几种。4.根据权利要求1所述的增减材复合的连续纤维复合材料成形方法，其特征在于，所述热塑性树脂包括聚乳酸材料、ABS树脂材料、尼龙材料、聚碳酸酯材料、聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：单忠德，林初明，范聪泽，宋文哲，刘琳，张蕾，刘东榕，
申请(专利权)人：山东中康国创先进印染技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：