一种纤维增强复合材料3D打印辅助成型方法与流程

本发明纤维增强复合材料成型领域，具体涉及一种纤维增强复合材料3d打印辅助成型方法。

背景技术：

纤维增强高分子复合材料是一种以高分子树脂为基体，以纤维为增强体形成的多相复合材料，由于其具有高比强度、高比模量、铺层的可设计性材料、成型和结构成型同步完成及整体化成型等诸多优点在航空、航天、军用装备、汽车等需要轻量化领域得到越来越广泛的应用。预浸料-真空袋压成型是纤维增强高分子复合材料重要的成型方式之一，在成型方式中需要模具来确保制件内部的致密度、外部尺寸精度及表面质量，然而对于复杂结构的制件，复合材料制件的脱模困难，经常需要借助外力，必然会对制件产生一定的损伤，降低了制件的力学性能，缩短其使用寿命。

3d打印技术属于快速成型技术，具有灵活的设计自由度,实现了复杂形状零件的快速而精密地制造,解决了许多采用传统工艺难以制造的复杂结构零件的加工成形,减少工装，简化加工工序,缩短了加工周期,大大推动产品的一体化成型制造和高端航空航天精密精细化的发展。fdm(熔融沉积打印)3d打印成型是增材制造中一类重要的成型方式，具体为将丝状的热熔性材料加热熔化,再通过微细喷嘴的喷头挤压出工件的横截面轮廓,依据电脑切片软件得出的生成路径图，喷头在工作台上的往复运动,逐层形成薄片，重复这个过程,便可生产出最终产品。

针对复杂结构的纤维增强复合材料制件成型，本发明将fdm3d打印成型与连续纤维复合材料成型方法结合，以fdm3d成型零件作为成型模，通过预浸料-真空袋压复合材料成型方式，在上述零件表面完成预浸料的铺层及辅助材料的铺置，并在一定温度和压力的作用下完成预浸料的固化。通过协同fdm3d打印成型的灵活性、高精度及复合材料轻质高强的优点，实现纤维增强复合材料的无模具化制造，避免脱模引起的复合材料制件性能的下降。

技术实现要素：

本发明为了解决利用复合材料制作复杂结构的制件时，脱模困难，借助外力又会对制件产生一定的损伤，降低制件力学性能、缩短使用寿命的缺陷，提供了一种纤维增强复合材料3d打印辅助成型方法。本发明通过将fdm3d打印成型与连续纤维复合材料成型方法结合，以fdm3d成型零件作为成型模，通过预浸料-真空袋压复合材料成型方式，在上述零件表面完成预浸料的铺层及辅助材料的铺置，并在一定温度和压力的作用下完成预浸料的固化。通过协同fdm3d打印成型的灵活性、高精度及复合材料轻质高强的优点，实现纤维增强复合材料的无模具化制造，避免脱模引起的复合材料制件性能的下降。本发明是通过以下技术方案实现的：

(1)fdm3d打印成型

依据最终制件的三维图，通过切片软件获得最终制件的生成路径图，设置3d打印机的打印参数，并依据最终制件的结构选择支撑材料、支撑形式，开启3d打印机，启动打印程序，3d打印机运行，获得与支撑材料结合的3d打印零件；

(2)零件表面粗糙化处理

对步骤(1)中获得的3d打印零件去除3d打印零件内表面或者外表面的支撑材料，然后通过喷砂机对外表面或者内表面进行粗糙化处理，并对处理后的表面碎屑进行清理；

(3)预浸料及辅助材料的铺贴

在步骤(2)获得的3d打印零件粗化表面，按设计铺层顺序，铺层包括逐层依次铺贴的胶膜、预浸料、脱模布、隔离膜、透气毡、真空袋膜，密封铺设层周边并预留真空导入口，并移入烘箱中；

(4)预浸料-真空袋压成型

对步骤(3)获得的3d打印零件的铺设层进行抽真空预压实，真空压力为0.090～0.098mpa,并在50～60℃条件下保温保压1～2h，之后在不高于3℃/min升温速率下，升温至130℃,并保温2h，所述预浸料完全固化后，开始降温，在降温过程中，保持真空压力至温度降至60℃以下，依次移除真空袋膜、透气毡、隔离膜、脱模布；

(5)移除支撑材料

将步骤(4)获得的3d打印零件放入装有naoh溶液的超声清洗机中进行超声清洗,直至完全移除3d打印零件的支撑材料；

(6)清洗与干燥

将步骤(5)中的3d打印零件用水清洗干净，并自然晾干获得最终制件。

本发明的有益效果包括：

1、通过物理方法对3d打印零件表面粗糙化处理，提高其表面粗糙度，增强其与胶膜机械咬合力，同时增大其和胶膜的结合面，实现其与预浸料之间粘接强度的大幅增强。

2、通过水溶性材料作为支撑结构的应用，满足了纤维预浸料在一定的温度和压力固化时的尺寸稳定性。

3、通fdm3d成型零件作为成型模，结合预浸料-真空袋压复合材料成型方式完成预浸料固化后的制件无需脱除模具，避免了脱模造成制件的力学性能下降，同时也缩短了制备周期。

附图说明

图1为本发明技术方案流程图。

图2为实施例1中无人机副翼的肋三维图。

图3为实施例1支撑材料结合的3d打印出来的肋，其中白色的部分为3d打印件本体材料，黑色为支撑材料；。

图4为实施例1去除外表面支撑材料的肋。

图5为实施例1玻璃纤维增强的3d打印肋制件。

图6为实施例2碳纤维增强的3d打印肋制件。

图7为实施例3碳纤维增强的3d打印肋制件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

本实施例提供一种纤维增强复合材料3d打印辅助成型方法例，其结构示意图如图2中所示。

具体的技术解决方案如下：

(1)fdm3d打印成型

依据无人机副翼肋的三维图，通过cura切片软件得出零件的生成路径图，设置打印参数(层厚0.1，速度35mm/s，喷嘴温度195°，热床60°)，并依据零件结构选择选用abs丝材作为主体材料，聚乙烯醇丝材作为支撑材料，采用实芯结构作为支撑形式，开启3d打印机，启动打印程序，3d打印机运行，获得与支撑材料结合的3d打印零件，如图3所示。通过聚乙烯醇丝材作为支撑材料的应用，满足了纤维预浸料在一定的温度和压力固化时的尺寸稳定性。

(2)零件表面粗糙化处理

如图4所示，对步骤(1)中获得的肋采用物理的方法进行粗糙化处理，首先去除肋外表面的支撑材料，通过喷砂机对外表面进行粗糙化处理，清理处理后的表面碎屑，最后通过乙醇溶剂进行表面清洗。粗糙化处理，提高了肋表面粗糙度，增强其与胶膜机械咬合力，同时增大其和胶膜的结合面，实现其与预浸料之间粘接强度的大幅增强。

(3)预浸料及辅助材料的铺贴

在步骤(2)获得的肋外表面，按设计顺序逐层依次铺贴一层环氧树脂胶膜、三层厚度0.2mm的玻璃纤维环氧树脂预浸料、脱模布、隔离膜、透气毡，最后加盖一层真空袋膜，密封周边并预留真空导入口，并移入烘箱中。

(4)预浸料-真空袋压成型

对上述铺设层进行抽真空预压实，真空压力0.095mpa,并在55℃条件下保温保压2h，之后2℃/min升温速率下，升温至130℃,并保温2h，预浸料完全固化后，开始降温，在降温过程中，保持真空压力至温度降至40℃，依次移除真空袋膜、透气毡、隔离膜、脱模布。

(5)移除支撑材料

将步骤(4)获得的纤维增强3d打印肋放入装有0.5mol/lnaoh溶液的超生清洗机，进行超生清洗2h，直至能够完全移除内部支撑材料。

(6)清洗与干燥

将步骤(5)中的纤维增强3d打印肋用水清洗干净，并自然晾干获得最终制件(图5)。

实施例2：

本实施例提供一种纤维增强复合材料3d打印辅助成型方法例，具体的技术解决方案如下：

(1)fdm3d打印成型

依据无人机副翼肋的三维图，通过切片软件maker得出零件的生成路径图，设置打印参数，层厚0.2，速度50mm/s，喷嘴温度195°，热床60°，并依据零件结构选择选用abs丝材作为主体材料，聚乙烯醇丝材作为支撑材料，采用环绕结构作为形式，开启3d打印机，启动打印程序，3d打印机运行，获得与支撑材料结合的3d打印零件。

(2)零件表面粗糙化处理

对步骤(1)中获得的肋采用物理的方法进行粗糙化处理，去除肋内表面的支撑材料，通过喷砂机对内表面进行粗糙化处理，清理处理后的表面碎屑，最后通过乙醇溶剂进行表面清洗。

(3)预浸料及辅助材料的铺贴

在步骤(2)获得的肋外表面，按设计顺序逐层依次铺贴一层环氧树脂胶膜、三层厚度0.2mm的碳纤维环氧树脂预浸料、脱模布、隔离膜、透气毡，最后加盖一层真空袋膜，密封周边并预留真空导入口，并移入烘箱中。

(4)预浸料-真空袋压成型

对上述铺设层进行抽真空预压实，真空压力0.090mpa,并在60℃条件下保温保压2h，之后1℃/min升温速率下，升温至130℃,并保温2h,预浸料完全固化后，开始降温，在降温过程中，保持真空压力至温度降至30℃，依次移除真空袋膜、透气毡、隔离膜、脱模布。

(5)移除支撑材料

将步骤(4)获得的纤维增强3d打印肋放入装有1mol/lnaoh溶液的超生清洗机，进行超生清洗2h，直至能够完全移除内部支撑材料。

(6)清洗与干燥

将步骤(5)中的纤维增强3d打印肋用水清洗干净，并自然晾干获得最终制件，如图6所示。

实施例3：

本实施例提供一种纤维增强复合材料3d打印辅助成型方法例，具体的技术解决方案如下：

(1)fdm3d打印成型

依据无人机副翼肋的三维图，通过切片软件slic3r得出零件的生成路径图，设置打印参数，层厚0.1，速度35mm/s，喷嘴温度195°，热床60°，并依据零件结构选择选用abs丝材作为主体材料，聚乙烯醇丝材作为支撑材料，采用环绕结构作为形式，开启3d打印机，启动打印程序，3d打印机运行，获得与支撑材料结合的3d打印零件。

(2)零件表面粗糙化处理

对步骤(1)中获得的肋采用物理的方法进行粗糙化处理，去除肋内表面的支撑材料，通过喷砂机对内表面进行粗糙化处理，清理处理后的表面碎屑，最后通过乙醇溶剂进行表面清洗。

(3)预浸料及辅助材料的铺贴

在步骤(2)获得的肋外表面，按设计顺序逐层依次铺贴一层环氧树脂胶膜、三层厚度0.2mm的碳纤维环氧树脂预浸料、脱模布、隔离膜、透气毡，最后加盖一层真空袋膜，密封周边并预留真空导入口，并移入烘箱中。

(4)预浸料-真空袋压成型

对上述铺设层进行抽真空预压实，真空压力0.098mpa,并在50℃条件下保温保压2h，之后3℃/min升温速率下，升温至130℃,并保温2h，预浸料完全固化后，开始降温，在降温过程中，保持真空压力至温度降至60℃，依次移除真空袋膜、透气毡、隔离膜、脱模布。

(5)移除支撑材料

将步骤(4)获得的纤维增强3d打印肋放入装有0.1mol/lnaoh溶液的超生清洗机，进行超生清洗2h，直至能够完全移除内部支撑材料。

(6)清洗与干燥

将步骤(5)中的纤维增强3d打印肋用水清洗干净，并自然晾干获得最终制件，如图7所示。

本领域的技术人员容易理解，预浸料不限于玻璃纤维环氧树脂和碳纤维环氧树脂，也可为凯夫拉纤维环氧树脂等以及其他热固性材料；以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。