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一种基于压力注射类Z-pin结构的连续纤维增材制造层间强化方法

更新时间:2024-07-01
一种基于压力注射类Z-pin结构的连续纤维增材制造层间强化方法 专利申请类型:发明专利;
地区:江苏-南京;
源自:南京高价值专利检索信息库;

专利名称:一种基于压力注射类Z-pin结构的连续纤维增材制造层间强化方法

专利类型:发明专利

专利申请号:CN202410455738.0

专利申请(专利权)人:南京航空航天大学
权利人地址:江苏省南京市御道街29号

专利发明(设计)人:范聪泽,单忠德,宋亚星,陈意伟,郑菁桦,宋文哲

专利摘要:本发明提供一种基于压力注射类Z‑pin结构的连续纤维增材制造层间强化方法,通过在连续纤维增材制造的各水平切片中,利用连续纤维打印出栅格框架,并对栅格孔洞进行规则的排布及组合,形成层间的间歇式贯穿空间,进而采用热固性树脂材料在该空间内进行压力注射,构建出跨切片层的连续纵向强化的类Z‑pin结构,同时通过控制树脂填充时的挤出压力,引导树脂在连续纤维增材制造中普遍存有的层道间孔隙中进行渗透并逐渐填充,实现在不引入其他辅助能场的情况下,抑制增材制造的伴生孔隙缺陷,最终实现层间强化,并提升整体性能。

主权利要求:
1.一种基于压力注射类Z‑pin结构的连续纤维增材制造层间强化方法,其特征在于,采用连续纤维打印头及热固性树脂挤出头进行复合打印成形,其中连续纤维打印头按打印层顺序,进行格栅状框架的顺序打印;热固性树脂挤出头则在对应打印层内的格栅孔洞中进行树脂材料的压力注射填充;连续纤维整体框架中的格栅孔洞在Z向上形成层间的间歇贯穿空间,而挤出填充的热固性树脂则在该空间内形成类Z‑pin结构,且在挤出压力控制下树脂渗透填充连续纤维框架层间的孔隙,最终实现连续纤维增材制造层间强化的作用,该方法步骤如下:步骤1:设定打印层厚t、连续纤维格栅状框架的格栅孔洞尺寸a×b、类Z‑pin结构单元类型,以及上述{t,a×b}参数组对应的基础挤出压力值p和不同类Z‑pin结构单元类型对应的挤出压力系数组{K2,K3};
步骤2:基于打印层厚t、连续纤维格栅状框架的格栅孔洞尺寸a×b、类Z‑pin结构单元类型,对目标模型进行模型分割处理,划分为连续纤维框架结构空间区域模型及类Z‑pin结构空间区域模型,两者共用空间坐标系且具有相同切片层的定义序列;
步骤3:针对连续纤维框架结构空间区域模型,进行各水平切片层连续纤维格栅框架的路径生成,获得连续纤维打印头各水平切片的打印路径信息{GF},即第i层信息记为{GFi};
步骤4:针对类Z‑pin结构空间区域模型,进行水平切片处理,对各水平切片中的各个类Z‑pin结构所对应的填充区域进行标记,结合基础挤出压力值p和不同类Z‑pin结构单元类型的挤出压力系数组{K2,K3},获得热固性树脂挤出头在相关水平切片层的挤出信息{GM},挤出信息包括每层切片中的进行压力注射作业的挤出位置及对应的挤出压力,即第i层信息记为{GMi};
步骤5:将连续纤维打印头的打印信息和热固性树脂挤出头在相关水平切片层的挤出信息,按照各水平切片层由下至上的顺序进行打印信息复合,并输出最终每一水平切片层所对应的连续纤维打印头打印信息和热固性树脂挤出头的挤出信息{G},即第i层信息记为{Gi};
步骤6:使用连续纤维打印头及热固性树脂挤出头按照各自动作信息进行协同打印成形,打印结束后进行静置固化处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于压力注射类Z‑pin结构的连续纤维增材制造层间强化方法,其特征在于,热固性树脂挤出头截面为矩形,尺寸与格栅孔洞尺寸a×b一致,热固性树脂挤出头插入格栅孔洞中进行树脂压力注射填充。
3.根据权利要求1所述的一种基于压力注射类Z‑pin结构的连续纤维增材制造层间强化方法,其特征在于:类Z‑pin结构单元在贯穿层深度上有2层和3层两种,两种结构在水平面内以单元形式间隔均布,但每一具体结构单元所在的厚度方向上仅有一种结构形式且相互间隔分布。
4.根据权利要求1所述的一种基于压力注射类Z‑pin结构的连续纤维增材制造层间强化方法,其特征在于:类Z‑pin结构单元类型对应有不同的热固性树脂挤出压力系数组{K2,K3},K2、K3分别对应挤出2层及3层的树脂填充的类Z‑pin结构所需的挤出压力系数。 说明书 : 一种基于压力注射类Z‑pin结构的连续纤维增材制造层间强
化方法技术领域[0001] 本发明属于高端装备制造技术领域;尤其涉及一种基于压力注射类Z‑pin结构的连续纤维增材制造层间强化方法。背景技术[0002] 连续纤维增材制造“层层叠加”的固有属性决定了其具有较弱的层间结合状态(表现为层道间的孔隙缺陷分布),这也是限制连续纤维增材制造应用的关键。不同的研究学者就如何实现面向连续纤维增材制造的层间强化开展了广泛的研究,包括采用在成形过程中借助激光、红外辐射、热轧辊等能量源以促进层间树脂分子链相互缠绕连接的成形辅助工艺,以及采用超声压实、真空热压等以减少层间孔隙缺陷的成形后处理工艺。[0003] 上述工艺方法对目标构件形状具有一定的限制(如面向平板件或需要借助模具等),弱化了增材制造技术设计自由度的优越性,并且由于基于水平切片的传统增材制造结构本身缺乏纵向强化结构,因此上述方法的强化效果有限。[0004] 实际上,针对传统制造的复合材料层合板,提升层间性能的主流技术是Z‑pin技术。与其它三维增强技术(三维编织、缝合增韧)相比,该技术具有更容易操作、便于控制工艺质量等优点,尤其适用于局部补强、轻质高强夹层结构制备和复合材料连接等。该技术是基于不连续缝合线的概念,利用微径Z‑pin的“钉扎”桥联效应,目前大多通过超声技术在构件厚度方向强力植入针状增强纤维,以实现制件厚度方向上的性能提升,但同时会造成局部的材料损伤,从而损失部分面内性能。[0005] 综上所述,缺乏纵向的强化结构是当前增材制造制件较弱层间结合状态的核心原因,而传统Z‑pin技术借助外力在构件厚度方向植入增强纤维虽可引入纵向结构,实现层间性能的提升,但易对面内性能造成损伤。因此考虑增材制造制件层道间固有的孔隙缺陷分布,若对该制件直接植入Z‑pin结构,反而会扩大原本缺陷,造成整体性能降低,即两者技术直接结合具有效果局限性。发明内容[0006] 为解决上述问题,本发明公开了一种基于压力注射类Z‑pin结构的连续纤维增材制造层间强化方法,目的是提供一种连续纤维与热固性树脂空间复合路径生成方案,实现在基于水平切片的连续纤维增材制造中,通过压力注射热固性树脂材料构建跨切片层的连续纵向强化的类Z‑pin结构;与此同时,通过控制注射压力,可引导树脂在连续纤维增材制造中普遍存在有的层道间孔隙中进行渗透并逐渐填充,将孔隙脉络替换为树脂网络,以强化连续纤维增材制造的层间结合性能,抑制增材制造的伴生孔隙缺陷,最终提升制件整体性能。[0007] 为实现上述目的,本发明提供了如下方案:[0008] 一种基于压力注射类Z‑pin结构的连续纤维增材制造层间强化方法,是采用连续纤维打印头及热固性树脂挤出头进行复合打印成形,其中连续纤维打印头按打印层顺序,进行格栅状框架的顺序打印;热固性树脂挤出头则在对应打印层内的格栅孔洞中进行树脂材料的压力注射填充;连续纤维整体框架中的格栅孔洞在Z向上形成层间的间歇贯穿空间,而挤出填充的热固性树脂则在该空间内形成类Z‑pin结构,且在挤出压力控制下树脂渗透填充连续纤维框架层道间的孔隙,最终实现连续纤维增材制造层间强化的作用,该方法步骤如下:[0009] 步骤1:设定打印层厚t、连续纤维格栅状框架的格栅孔洞尺寸a×b、类Z‑pin结构单元类型,以及上述{t,a×b}参数组对应的基础挤出压力值p和不同类Z‑pin结构单元类型对应的挤出压力系数组{K2,K3};[0010] 步骤2:基于打印层厚t、连续纤维格栅状框架的格栅孔洞尺寸a×b、类Z‑pin结构单元类型,对目标模型进行模型分割处理,划分为连续纤维框架结构空间区域模型及类Z‑pin结构空间区域模型,两者共用空间坐标系且具有相同切片层的定义序列;[0011] 步骤3:针对连续纤维框架结构空间区域,进行各水平切片层连续纤维格栅框架的路径生成,获得连续纤维打印头各水平切片的打印路径信息{GF},即第i层信息记为{GFi};[0012] 步骤4:针对类Z‑pin结构空间区域,进行水平切片处理,对各水平切片中的各个类Z‑pin结构所对应的填充区域进行标记,结合基础挤出压力值p和不同类Z‑pin结构单元类型的挤出压力系数组{K2,K3},获得热固性树脂挤出头在相关水平切片层的挤出信息{GM},挤出信息包括每层切片中的进行压力注射作业的挤出位置及对应的挤出压力,即第i层信息记为{GMi};[0013] 步骤5:将连续纤维打印头的打印信息和热固性树脂挤出头在相关水平切片层的挤出信息,按照各水平切片层由下至上的顺序进行打印信息复合,并输出最终每一水平切片层所对应的连续纤维打印头打印信息和热固性树脂挤出头的挤出信息{G},即第i层信息记为{Gi};[0014] 步骤6:使用连续纤维打印头及热固性树脂挤出头按照各自动作信息进行协同打印成形,打印结束后进行静置固化处理。[0015] 进一步的,所述的热固性树脂挤出头截面为矩形,尺寸与格栅孔洞尺寸a×b一致,热固性树脂挤出头可插入格栅孔洞中进行树脂压力注射填充。[0016] 进一步的,所述的类Z‑pin结构单元在贯穿层深度上有2层和3层两种,两种结构在水平面内以单元形式间隔均布,但每一具体结构单元所在的厚度方向上仅有一种结构形式且相互间隔分布。类Z‑pin结构单元空间分布特征有两种形式::[0017] ①横向间隔均布:如图5所示。[0018] ②横/纵向间隔均布,如图6所示。[0019] 进一步的,所述的类Z‑pin结构单元类型对应有不同的热固性树脂挤出压力系数组{K2,K3},K2、K3分别对应挤出2层及3层的树脂填充的类Z‑pin结构所需的挤出压力系数,该系数用于填充具体类Z‑pin结构时对基础挤出压力的调整。[0020] 本发明的有益效果如下:[0021] (1)提供一种连续纤维与热固性树脂空间复合路径生成方案,通过在连续纤维增材制造的各水平切片中,利用连续纤维打印出栅格框架,并对栅格孔洞进行规则的排布及组合,以形成层间的间歇式贯穿空间,进而采用热固性树脂材料在该空间内进行压力注射,即可构建出跨切片层的连续纵向强化的类Z‑pin结构,实现连续纤维增材制造的层间强化。[0022] (2)基于所提供的一种连续纤维与热固性树脂空间复合路径生成方案,通过控制树脂材料填充形成类Z‑pin结构时的挤出压力,可引导树脂在连续纤维增材制造中普遍存有的层道间孔隙中进行渗透并逐渐填充,实现在不引入其他辅助能场的情况下,抑制增材制造的伴生孔隙缺陷,最终提升制件整体性能。附图说明[0023] 图1为本发明中连续纤维打印头及热固性树脂挤出头进行复合打印的成形方案步骤2的示意图。[0024] 图2为本发明中连续纤维打印头及热固性树脂挤出头进行复合打印的成形方案步骤5中连续纤维栅格框架进行打印的示意图。[0025] 图3为本发明中连续纤维打印头及热固性树脂挤出头进行复合打印的成形方案步骤5中热固性树脂在挤压信息控制下进行填充的示意图。[0026] 图4为本发明中连续纤维打印头及热固性树脂挤出头进行复合打印的成形方案步骤6的示意图。[0027] 图5、类Z‑pin结构单元空间分布特征类型‑横向间隔均布图;[0028] 图6、类Z‑pin结构单元空间分布特征类型‑横/纵向间隔均布。[0029] 其中,1——连续纤维格栅状框架结构,2——类Z‑pin结构,2‑1——由树脂填充的类Z‑pin空间,2‑2——由树脂填充的孔隙空间,3——连续纤维打印头,4——热固性树脂挤出头,5——正视切面。具体实施方式[0030] 下面结合附图和具体实施方式,进一步阐明本发明,应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是,下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向,词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。[0031] 目标制件为11×7×2.5mm的立方体,使用连续纤维材料为连续碳纤维增强PETG(聚对苯二甲酸乙二醇酯‑1,4‑环己烷二甲醇酯)复合丝材,热固性树脂材料为双酚环氧树脂(FibreGlastSystem4600)与固化剂((System4690))的混合物。热固性树脂挤出头4截面为矩形,尺寸与格栅孔洞尺寸一致,由其插入格栅孔洞中进行树脂压力注射填充。[0032] 本案例采用连续纤维打印头3及热固性树脂挤出头4进行复合打印的成形方案如下:[0033] 步骤1:设定打印层厚0.5mm、连续纤维格栅状框架的格栅孔洞尺寸1×1mm、类Z‑pin结构单元为2层和3层结构共用、类Z‑pin结构单元的具体空间分布特征形式为为横向间隔均布、基础挤出压力值p为0.7MPa、挤出压力系数组{1.4,1.7};[0034] 步骤2:基于打印层厚、连续纤维格栅状框架的格栅孔洞尺寸、类Z‑pin结构单元类型,对目标模型进行连续纤维框架结构1及类Z‑pin结构2的空间区域划分,如图1所示;[0035] 步骤3:针对连续纤维框架结构1空间区域,进行各水平切片层连续纤维格栅框架的路径生成,获得连续纤维打印头3在1‑5层的水平切片的打印路径信息{GFi};[0036] 步骤4:针对类Z‑pin结构2空间区域,进行水平切片处理,对1‑5层的水平切片中的各个类Z‑pin结构所对应的填充区域进行标记,结合基础挤出压力值p和不同类Z‑pin结构单元类型的挤出压力系数组{K2,K3},获得热固性树脂挤出头4在相关水平切片层的挤出信息{GMi};[0037] 步骤5:将连续纤维打印头3的打印信息和热固性树脂挤出头4在相关水平切片层的挤出信息,按照各水平切片层由下至上的顺序进行打印信息复合,并输出1‑5层各水平切片打印层所对应的连续纤维打印头3打印信息和热固性树脂挤出头4的挤出信息{Gi}。整体打印信息中的连续纤维栅格框架打印,如图2所示;整体打印信息中热固性树脂在挤压信息控制下,实现类Z‑pin结构空间2‑1的填充打印及对连续纤维栅格框架中的层道间的孔隙2‑2填充,如图3所示。[0038] 步骤6:使用连续纤维打印头3及热固性树脂挤出头4按照各自动作信息进行协同打印成形,协同打印流程如图4所示,打印结束后进行室温(25℃)静置20小时固化处理。[0039] 本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段,还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

专利地区:江苏

专利申请日期:2024-04-16

专利公开日期:2024-06-18

专利公告号:CN118046575B

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