一种含三维编织几何结构增强体复合材料的增材成形方法与流程

本发明涉及一种含三维编织几何结构增强体的复合材料的增材成形方法，属于编织复合材料增材成形技术领域。

背景技术：

编织是一种典型的纺织工艺，由于编织物具有高损伤容限，高强度，低成本和净形织造等方面的优点，长久以来被广泛应用在复合材料加工领域。三维编织技术是对二维编织技术的扩展。与二维编织相比，三维编织增加了纱线和纱线系统的数目，以形成更多的纱线交织。frankko对三维编织物的定义是：由两个或两个以上相互缠绕的纱线系统通过整体成型的方法得到的立体编织物，每个系统的纱线分别沿织物成型方向呈一定的特征角；辅助轴纱的方向也是沿织物成型方向而编入。三维编织物通常由行列式编织机或旋转式编织机织造，不同的三维编织工艺和机械都是为了适应各种三维编织物的应用需求而发展起来的。但是，由于三维编织机械的自动化程度比较低，严重限制了三维编织复合材料的发展。

增材成形(additivemanufacturing)，或称三维打印(3dprinting)的出现为复合材料的制备提供了一条快捷的途径。charleshull在1986年提交了名为《apparatusforproductionofthree-dimensionalobjectbystereolithography》的专利，(专利号us4,575,330)，该专利提出了一种快速成型原理，即将材料一层一层地沉积在底板上以得到所需的构件，这就是增材成形技术的雏形。之后逐渐发展出了熔丝成形(fusedfilamentfabrication),激光选择烧结成形(selectivelasersintering)和光敏树脂选择固化(stereolithographyapparatus)等增材成形工艺。它不需要繁琐的织造上机设置和准备工作，方便构建和制造复杂的结构和模型。在cad软件中设计好模型后，将模型导入切片软件进行处理，这时切片软件会将模型分割成为若干层，生成相应的g代码，以控制喷头电机的运动；之后将g代码导入三维打印机，三维打印机中的控制电机就会根据g代码的指令带动喷头，一层一层地把材料平铺叠加成模型。三维打印技术的独特优势引起了研究人员将其应用于纺织材料预制件领域的兴趣，比如对三维织物拓扑结构的设计。对比传统编织物织造过程，三维打印编织物几何结构更加快速和低成本，适用于建构复杂的织物结构模型。由于增材成形技术的便捷性和模型的易设计性，在纺织复合领域的制造用也得到了越来越多的关注。

申请号为201310337148.x的发明专利《一种基于三维编织的3d打印方法》公开了一种将有取向的纤维束嵌入热塑材料的增材成形方法，致力于提高增材成形零件切向性能的不足，但其在纤维嵌入方法上有明显的缺陷，不能保证纤维在沉积材料层间的连结。申请号为201410325554.9的发明专利《一种纤维增强复合材料多自由度3d打印机及其打印方法》公开了一种打印含碳纤维长丝零件的机器及其方法，其将多自由度的机械臂和三维打印技术结合起来，可以实现在三维打印中对长纤维的取向控制，但设备较为昂贵，其对cad模型的预处理也较为复杂。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是：现有三维编织的3d打印方法制造的产品，性能欠佳，步骤复杂，成本高等问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种含三维编织几何结构增强体复合材料的增材成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：在计算机中利用cad软件建立所需的三维编织物几何模型；

步骤2)：在cad软件中建立另一个几何模型，该几何模型为外观规则的实心结构；

步骤3)：利用cad软件的布尔运算功能，将规则外观的几何模型与三维编织几何结构模型进行布尔减法操作，以得到一个外观规则的蜂窝状模型；

步骤4)：将蜂窝状模型与三维编织几何结构模型组合成一个完整的具有规则外观的几何模型；将此模型导入具有双喷头的三维打印机切片软件，将三维编织几何结构模型和具有规则外观的蜂窝状模型分别设置为两种不同的增材材料，以此生成三维打印控制代码；

步骤5)：将三维打印控制代码输入三维打印机，得到含三维编织几何结构的增材成形复合材料。

优选地，所述步骤4)中两种不同的增材材料中的其中一种为三维编织几何结构形态，另一种用于填充、包裹增材三维编织几何结构。两种增材材料在组合后，可以生成规则的外观形态。

本发明可以快速便捷地设计与制备含三维编织几何结构的增材成形复合材料。与现有三维编织复合材料制造的工艺方法相比，本发明具有以下技术效果：

(1)对三维编织几何结构设计非常灵活，可以根据需求对编织参数进行便捷地调整；

(2)双组份材料可以根据复合材料应用的具体要求进行调控；

(3)本发明简化了复合材料的设计与制造流程，节省制造成本和时间，适用于对构件小批量定制的需求。

附图说明

图1为实施例1中的三维编织几何结构模型的示意图；

图2为实施例1中的三维编织几何结构模型和用于做布尔操作的六面体的示意图；

图3为实施例1中完成布尔操作之后带蜂窝状孔洞的六面体的示意图；

图4为实施例1中三维编织几何结构增强体与带蜂窝状孔洞六面体组合之后的构件的示意图；

图5为实施例2中的三维编织几何结构模型的示意图；

图6为实施例2中的三维编织几何结构模型和用于做布尔操作的六面体的示意图；

图7为实施例2中完成布尔操作之后带蜂窝状孔洞的六面体的示意图；

图8为实施例2中三维编织几何结构增强体与带蜂窝状孔洞六面体组合之后的构件的示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1

如图1所示，为方形三维编织几何结构模型，该模型的编织角、花节长度和纱线直径都可以在cad软件中进行调整；图2为六面体几何模型，其中六面体模型的尺寸略大于三维编织几何结构模型的尺寸，即六面体的外轮廓可以完全包裹三维编织几何结构；于是可以把六面体几何结构模型与三维编织几何结构模型在cad软件中进行布尔减法操作，得到如图3所示的蜂窝状六面体几何模型；将图1所示的三维编织几何结构模型与图3生成的蜂窝状正六面体几何模型组合，便得到了如图4所示的含三维编织几何结构的六面体几何模型；最后在具有双喷头三维打印机的切片软件中，将三维编织几何结构和蜂窝状正六面体几何模型分别设置为不同的增材材料，再将生成的控制代码导入具有双喷头的三维打印机中，三维打印机便可以在底板上沉积出含三维编织几何结构的复合材料构件。

实施例2

如图5所示为圆形三维编织几何结构模型，该模型的编织角、花节长度和纱线直径都可以在cad软件中进行调整；图6为圆柱体几何模型，其中圆柱体模型的尺寸略大于三维编织几何结构模型的尺寸，即圆柱体的外轮廓可以完全包裹三维编织几何结构；于是可以把圆柱体几何结构模型与三维编织几何结构模型在cad软件中进行布尔减法操作，得到如图7所示的蜂窝状圆柱体几何模型；将图5所示的三维编织几何结构模型与图7生成的蜂窝状正六面体几何模型组合，便得到了如图8所示的含三维编织几何结构的圆柱体几何模型；最后在具有双喷头三维打印机的切片软件中，将三维编织几何结构和蜂窝状正六面体几何模型分别设置为不同材质的增材材料，再将生成的控制代码导入具有双喷头的三维打印机中，三维打印机便可以在底板上沉积出含三维编织几何结构增强体的复合材料构件。