适合连续纤维3Ｄ打印的空间结构和打印方法与流程

本发明涉及使用连续纤维增强树脂的增材制造技术领域，属于复合材料结构设计及制造技术领域。

背景技术：

随着航天航空的发展，对于材料结构轻量化、多功能化提出了更为苛刻的要求。设计师们正寻求一种可以替代普通夹心材料如蜂窝、泡沫的高承载材料，为飞行器减重增航提供基础。目前，点阵结构呈现出独特的优势：可根据需求设计不同密度和不同的承载，且内部分布大量空腔，可以实现隐身、储能、阻尼等多功能为一体，是结构-隐身一体化的完美结合。

当前，点阵结构成型的方法主要有手糊成型、预浸料成型技术、模压成型技术、热压罐成型技术、软膜成型技术、缠绕成型技术等。这些成型技术都对模具设计和各部分的装配安装有很高的要求，而且步骤繁琐，成型周期长，成本较高，限制了点阵结构特别是点阵芯材在工业领域的应用。

连续纤维增强3D打印技术，具有速度快，步骤简洁，成型周期短等优点，但现用连续纤维增强3D打印技术打印的空间结构，是从打印面至制件顶部具有相同形状层层叠加，高度方向不含有中间断开的部分，不能实现根据位置的不同出现镂空或空心的结构。

技术实现要素：

本发明提供了一种适合连续纤维3D打印的空间结构和打印方法，能够解决现有技术中点阵结构无法被连续纤维3D打印的技术问题。

本发明提供了一种适合连续纤维3D打印的空间结构，此空间结构包含若干个平行的网格结构，在相邻网格结构之间具有垂直于网格结构的承载面。每个网格结构由棒状支杆组成，每个承载面是由棒状杆和承载区组成。

所述的棒状支杆是柱状物体，含有连续的纤维，纤维含量在30％V以上，优选截面为圆形或正方形。各部分支杆的几何尺寸可以随着力学承载的要求有所变化。

所述的棒状杆垂直于网格结构且以相邻两个网格结构的棒状支杆的连接节点为起止点。

所述的承载区垂直于网格结构，高度为棒状杆的长度，其中一边以棒状支杆长度为边长。

所述的承载区包括芯材和加固蒙皮，芯材是以纯树脂或含有非连续纤维增强的树脂制成，加固蒙皮是以连续纤维增强的热塑性材料制成，在芯材的一侧或两侧铺放。

所述的承载区的形状与具体的结构相关。

所述的承载区厚度不能大于棒状支杆最大尺寸的2倍，优选等厚度。

所述的连接节点，在节点处倒圆角，优选连接节点处存在半径不小于1mm的倒角。

所述的3D打印方法，分为以下五步：

1、使用连续纤维打印第一层由棒状支杆组成的网格结构。

2、垂直于网络结构方向上使用非连续纤维打印棒状杆以及承载区芯材，构成第n(n＝1，2，3……)层承载面的一部分，承载区芯材厚度不小于最终承载区厚度的三分之一。

3、垂直于承载区芯材的侧向平面的一侧或两侧，以芯材为模版，铺放一层或多层连续纤维增强的材料，厚度根据设计尺寸而定，完成第n层承载面的打印。

4、使用连续纤维在第n层支撑面上进行第n+1层网络结构的打印。

5、重复上述2、3、4步骤，直到达到设计的尺寸。

应用本发明的技术方案，有益效果为：

1、本发明中利用所述的连续纤维3D打印方法打印的所述空间结构，实现了点阵结构的连续纤维的3D打印。

2、本发明中的空间结构，通过在两层网格结构之间添加承载面来支撑网格结构，并在承载面设计承载区并在其上铺设加固蒙皮来提高承载能力，使得制造的材料具有质量轻，承载高，且结构单元上力学承载稳定的特点。

3、本发明中使用连续纤维3D打印的方法制造的空间结构，具有3D打印制造的优点，使得点阵结构的生产具有制造速度快，技术难度低，无需精密的模具，制造周期短等优点，为加快点阵结构定制化和零部件的轻量化应用提供一个途径。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

本发明列出两种空间构件的结构，图1至图3为四边形空间结构，图4至图6为三角形空间结构。

图1示出了四边形空间结构的整体构型；

图2示出了四边形空间结构的网格结构；

图3示出了四边形空间结构的承载面的结构；

图4示出了三角形空间结构的整体构型；

图5示出了三角形空间结构的网格结构；

图6示出了三角形空间结构的承载面的结构；

图7示出了本发明的3D打印方法的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实例1：四边形的空间构型

参照图1、2、3所示，将打印平台工作面设为X－Y平面，在此平面上棒状支杆为截面边长为1mm正方形的柱体，棒状支杆的长度为10mm，组成10mm×10mm的正方形框体。垂直于X－Y平面上，棒状杆为截面边长为1mm正方形的柱体，棒状杆的长度为10mm，承载区为边长为10mm的直角三角形，厚度为1mm。

使用的材料：网络结构的棒状支杆是连续碳纤维增强尼龙，棒状支杆为短碳纤维增强尼龙，承载区的芯材为厚度0.5mm的短碳纤维增强尼龙，加固蒙皮为厚度0.5mm的连续纤维增强尼龙。

使用连续纤维3D打印制备的以上结构的构件，重量约900g，载荷1MPa，超过了同密度的轻质泡沫的载荷；打印用时48小时,与普通的空间点阵结构制造相比，制造速度提高了二十倍，且无需加工精密的模具，全周期降低至原来的四十分之一。

实例2，三角形的空间构型

参考图4、5、6、7，三角形的空间结构打印方法如下：

1、使用连续纤维增强PLA在打印机工作平面打印第一层网格结构，如图5，其中棒状支杆为截面边长为2mm正方形的柱体，高10mm，组成等边三角形；

2、在垂直与网格结构的平面，使用短碳纤维增强尼龙打印棒状杆和三角承载区的芯材，棒状杆为截面边长为2mm正方形的柱体，高为7mm，起止点为相邻网格结构各棒状支杆的连接点处。三角承载区芯材的厚度为1mm，其中一个直角边为支撑支杆，另一个直角边为支撑杆，沿支撑支杆的内侧向外打印。

3、使用较小喷头和连续纤维增强尼龙，垂直于承载区的侧向平面，以承载区的芯材为模板，在一侧铺放多层连续纤维增强尼龙，厚度为1mm。

4、使用连续纤维在第一层承载面上进行第2层网络结构的打印。

5、重复上述2、3、4步骤，直到达到设计的尺寸。

使用连续纤维打印制备的以上构型，重量约1.7kg，承压1.5MP。打印用时48小时,与普通的空间点阵结构制造相比，制造速度相比提高了十六倍，且无需加工精密的模具,全周期降低至原来的三十分之一。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。