IPC分类号：
B29C64/118 | G16C60/00 | G06F30/20 | B33Y10/00 | G06F119/18 | G06F113/26 | G06F113/10 | G06F119/08
当前申请(专利权)人：
陕西千山航空电子有限责任公司
原始申请(专利权)人：
陕西千山航空电子有限责任公司
当前申请(专利权)人地址：
710065 陕西省西安市郭杜街道神禾四路1566号
工商统一社会信用代码：
916101316715105890
工商注册地址：
陕西省西安市长安区郭杜街道神禾四路1566号
摘要：
本发明提供了一种纤维复合材料抗冲击结构件的增材制造方法，包括如下步骤：(1)将纤维和树脂混合制得纤维复合材料；(2)设计纤维复合材料抗冲击结构件数模，并确定纤维复合材料逐层铺贴角度，依据该数模生成纤维复合材料抗冲击结构件的熔融沉积制造成型轨迹数据；(3)将该纤维复合材料抗冲击结构件的熔融沉积制造成型轨迹数据导入增材制造设备，将所述纤维复合材料导入增材制造设备的成型仓，喷嘴依据成型轨迹在X、Y、Z三轴方向上逐层成型得到纤维复合材料抗冲击结构件。本发明的增材制造方法操作简单、生产效率高、生产周期短，且制造出的抗冲击结构件抗冲击性能好，符合设计需求。
技术问题语段：
但是，由于金属材料使用传统减材加工工艺，存在生产周期长，材料浪费大，产品重量大，而且对有特殊要求的异形结构件难加工或无法加工的缺点，影响了未来在相关领域的应用
技术功效语段：
[0023]与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明实施例的增材制造方法，同时通过对双向万向喷嘴各喷嘴挤出温度、挤出速度，喷头挤出纤维材料的时序及层间纤维复合材料铺贴角度的控制，实现了抗冲击结构件的抗冲击性能各向同性，使结构件抗力学冲击性能更优，重量更轻。同时，操作简单，生产周期短，能够明显提高生产效率。
权利要求：
1.一种纤维复合材料抗冲击结构件的增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将纤维和树脂混合制得纤维复合材料；
(2)设计纤维复合材料抗冲击结构件数模，并确定纤维复合材料逐层铺贴角度，依据该数模生成纤维复合材料抗冲击结构件的熔融沉积制造成型轨迹数据；
(3)将该纤维复合材料抗冲击结构件的熔融沉积制造成型轨迹数据导入增材制造设备，将所述纤维复合材料导入增材制造设备的成型仓，喷嘴依据成型轨迹在X、Y、Z三轴方向上逐层成型得到纤维复合材料抗冲击结构件；
所述增材制造设备采用双头万向喷嘴，其中，A喷嘴出口温度为110-185℃，B喷嘴出口温度为110-210℃；A喷嘴挤出速度为0.1-0.5m/min，B喷嘴挤出速度为0.1-1.2m/min；每层纤维复合材料的厚度为0.3-0.8mm；
将所述纤维复合材料导入增材制造设备的成型仓后，调整A喷嘴和B喷嘴间的成型角度，控制所述双头万向喷嘴的A喷嘴和B喷嘴按1-3s的延时顺序铺贴纤维复合材料，同时A喷嘴和B喷嘴所喷出纤维复合材料可呈±45°、90°角度铺贴。
2.根据权利要求1所述的纤维复合材料抗冲击结构件的增材制造方法，其特征在于，按质量份数计，所述纤维复合材料包括：纤维33-50份，树脂15-20份，表面活性剂0.5-1.5份。
3.根据权利要求1所述的纤维复合材料抗冲击结构件的增材制造方法，其特征在于，所述纤维采用玻璃纤维、碳纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的纤维复合材料抗冲击结构件的增材制造方法，其特征在于，所述树脂采用包括酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂中一种或多种的热固性树脂或热塑性树脂。
5.根据权利要求1所述的纤维复合材料抗冲击结构件的增材制造方法，其特征在于，所述纤维的直径为30-80μm。
6.根据权利要求1所述的纤维复合材料抗冲击结构件的增材制造方法，其特征在于，步骤(3)中，将所述纤维复合材料导入增材制造设备的成型仓后，所述双头万向喷嘴的A喷嘴、B喷嘴和万向工作台随着成型轨迹自动调节X、Y、Z轴向上的动作，双头万向喷嘴的嘴口长宽比根据成型轨迹在2:0.5-1.2之间自动调节，所得抗冲击结构件的总厚度在5-15mm。
7.根据权利要求1所述的纤维复合材料抗冲击结构件的增材制造方法，其特征在于，所述步骤(3)中，成型仓中温度控制在60-70℃，纤维复合材料抗冲击结构件成型后通过温控系统对成型仓控制加热至120-260℃，保温固化1-1.5h，待成型仓恢复至常温后，再将该纤维复合材料抗冲击结构件取出。
技术领域：
[0001]本发明涉及纤维复合材料结构件制造技术领域，具体涉及一种纤维复合材料抗冲击结构件的增材制造方法。
背景技术：
[0002]目前，抗冲击结构件广泛用于飞行器、轨道交通工具、汽车等诸多领域。在航空航天领域，抗冲击结构件是保证其内部记录芯片能下载完整飞行数据的关键零件。一般抗冲击结构件采用金属材料制造，其具有高强度、高硬度等优异性能。但是，由于金属材料使用传统减材加工工艺，存在生产周期长，材料浪费大，产品重量大，而且对有特殊要求的异形结构件难加工或无法加工的缺点，影响了未来在相关领域的应用。因此，研究抗冲击结构件成型新工艺是极为迫切的需要。
[0003]增材制造技术(Additive Manufacturing，AM)是一种与传统材料“去除型”加工方法截然相反的，通过增加材料，并基于三维CAD模型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。
[0004]熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling，FDM)也称熔融沉积挤出成型，是对零件的三维CAD实体模型，按照一定的厚度进行分层切片处理，生成二维的截面信息，然后根据每一层的截面信息，利用不同的方法生成截面的形状，这一过程反复进行，各截面层层叠加，最终形成三维实体。
[0005]纤维复合材料在不同应用环境中的性能要求也不同。有些使用环境纤维复合材料受力方向比较单一，在进行铺层设计的时候可采用同一铺层角度。当纤维复合材料的受力方向不同时，需要对铺层方向进行合理设计，常见的铺层角度有0°、90°、±45°，合理的铺层设计可以发挥出最佳的力学性能优势。
[0006]玻璃纤维作为强化塑料的补强材料，是一种性能优异的无机非金属材料，一般比有机纤维耐温高，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性好、抗腐蚀性好、机械强度高。玻璃纤维通常用作复合材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料。
[0007]碳纤维是一种力学性能优异的材料，其密度不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3.5Gpa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为23-43Gpa也高于钢。碳纤维复合材料由于其比重小、刚性好和强度高而成为广泛应用的一种特种材料。
[0008]聚对苯撑苯并双噁唑纤维(Poly-p-phenylene benzobisthiazole，PBO)纤维具有优异的力学性能和耐高温性能，比强度和比模量居各种纤维之最，其密度为1.54-1.56g/cm3，拉伸强度为3.4GPa-5.8GPa，拉伸模量为180GPa-280GPa，断裂伸长率为2.5％-3.5％，远高于一般高强玻纤和Levlar纤维。长丝PBO纤维复合材料所成型的防护材料，冲击最大载荷和能量吸收均高于芳纶和碳纤维，具有很好的防弹冲击性能，可用于航空航天、弹道导弹等结构件。
[0009]基于且不限于上述的各类纤维性能特点，出于产品性能要求不同、应用环境不同和制造成本等因素的考虑，制备各类纤维复合材料，并结合增材制造技术新工艺特点，具有制造抗冲击结构件抗冲击性能好、生产成本低、生产效率高的优点。
发明内容：
[0010]有鉴于此，本申请实施例提供一种纤维复合材料抗冲击结构件的增材制造方法，该方法操作简单、生产效率高、生产周期短，且制造出的抗冲击结构件抗冲击性能好，符合设计需求。
[0011]本申请实施例提供以下技术方案：一种纤维复合材料抗冲击结构件的增材制造方法，包括如下步骤：
[0012](1)将纤维和树脂混合制得纤维复合材料；
[0013](2)设计纤维复合材料抗冲击结构件数模，并确定纤维复合材料逐层铺贴角度，依据该数模生成纤维复合材料抗冲击结构件的熔融沉积制造成型轨迹数据；
[0014](3)将该纤维复合材料抗冲击结构件的熔融沉积制造成型轨迹数据导入增材制造设备，将所述纤维复合材料导入增材制造设备的成型仓，喷嘴依据成型轨迹在X、Y、Z三轴方向上逐层成型得到纤维复合材料抗冲击结构件；
[0015]所述增材制造设备采用双头万向喷嘴，其中，A喷嘴出口温度为110-185℃，B喷嘴出口温度为110-210℃；A喷嘴挤出速度为0.1-0.5m/min，B喷嘴挤出速度为0.1-1.2m/min；每层纤维复合材料的厚度为0.3-0.8mm。
[0016]根据本申请实施例的一种实施方式，按质量份数计，所述纤维复合材料包括：纤维33-50份，树脂15-20份，表面活性剂0.5-1.5份。
[0017]根据本申请实施例的一种实施方式，所述纤维采用玻璃纤维、碳纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维中的一种或多种。
[0018]根据本申请实施例的一种实施方式，所述树脂采用包括酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂中一种或多种的热固性树脂或热塑性树脂。
[0019]根据本申请实施例的一种实施方式，所述纤维的直径为30-80μm。
[0020]根据本申请实施例的一种实施方式，步骤(3)中，将所述纤维复合材料导入增材制造设备的成型仓后，调整A喷嘴和B喷嘴间的成型角度，控制所述双头万向喷嘴的A喷嘴和B喷嘴按1-3s的延时顺序铺贴纤维复合材料。
[0021]根据本申请实施例的一种实施方式，步骤(3)中，将所述纤维复合材料导入增材制造设备的成型仓后，所述双头万向喷嘴的A喷嘴、B喷嘴和万向工作台随着成型轨迹自动调节X、Y、Z轴向上的动作，双头万向喷嘴的嘴口长宽比根据成型轨迹在2:0.5-1.2之间自动调节，所得抗冲击结构件的总厚度在5-15mm。
[0022]根据本申请实施例的一种实施方式，所述步骤(3)中，成型仓中温度控制在60-70℃，纤维复合材料抗冲击结构件成型后通过温控系统对成型仓控制加热至120-260℃，保温固化1-1.5h，待成型仓恢复至常温后，再将该纤维复合材料抗冲击结构件取出。
[0023]与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明实施例的增材制造方法，同时通过对双向万向喷嘴各喷嘴挤出温度、挤出速度，喷头挤出纤维材料的时序及层间纤维复合材料铺贴角度的控制，实现了抗冲击结构件的抗冲击性能各向同性，使结构件抗力学冲击性能更优，重量更轻。同时，操作简单，生产周期短，能够明显提高生产效率。
具体实施方式：
[0024]下面对本申请实施例进行详细描述。
[0025]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。下面将结合实施例来详细说明本发明，对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
[0026]本发明实施例提供了一种纤维复合材料抗冲击结构件的增材制造方法，包括如下步骤：
[0027](1)将纤维和树脂混合制得纤维复合材料；
[0028]材料准备阶段：首先选定满足设计要求的纤维，所选纤维直径在30-80μm，优选为35-50μm；再用表面活性剂对纤维表面进行表面预处理后，将纤维与树脂、表面活性剂进行充分混合，按质量份数计：纤维33-50份、树脂15-20份、表面活性剂0.5-1.5份，并保证纤维具有一定的取向。
[0029]所述纤维采用玻璃纤维、碳纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维中的一种或多种。所述树脂采用包括酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂中一种或多种的热固性树脂或热塑性树脂。
[0030](2)设计纤维复合材料抗冲击结构件数模，并确定纤维复合材料逐层铺贴角度，依据该数模生成纤维复合材料抗冲击结构件的熔融沉积制造成型轨迹数据。
[0031]具体实施时，使用CAD软件设计纤维复合材料抗冲击结构件三维模型，为了保证抗冲击结构件抗冲击性能各项同性，还需要对纤维复合材料铺贴轨迹，双头万向喷嘴挤出纤维复合材料的时序、温度、挤出速度以及层间纤维复合材料逐层铺贴角度进行设计。
[0032](3)将该纤维复合材料抗冲击结构件的熔融沉积制造成型轨迹数据导入增材制造设备，将所述纤维复合材料导入增材制造设备的成型仓，喷嘴依据成型轨迹在X、Y、Z三轴方向上逐层成型得到纤维复合材料抗冲击结构件；
[0033]在一种具体的实施方式中，采用FDM(熔融沉积成型Fused DepositionModelling)设备进行成型制造，该FDM设备包括双头万向喷嘴、成型仓、温度系统、压力系统、真空系统和工作台。
[0034]其中，为达到一定的抗冲击性能FDM设备使用双头万向喷嘴，使逐层的纤维复合材料呈不同角度铺贴。调节FDM设备两个万向喷嘴的温度和挤出压力，控制加热至粘流态的纤维复合材料按一定速率挤出喷嘴，两个万向喷嘴依据运行轨迹和层间角度在X、Y、Z三轴方向上逐层铺贴纤维复合材料。具体地，所述增材制造设备采用双头万向喷嘴，其中，A喷嘴出口温度为110-185℃，B喷嘴出口温度为110-210℃。控制A喷嘴挤出速度在0.1-0.5m/min，B喷嘴挤出速度在0.1-1.2m/min，每层纤维复合材料的厚度为0.3-0.8mm，形成纤维复合材料结构件。
[0035]将所述纤维复合材料导入增材制造设备的成型仓后，调整A喷嘴和B喷嘴间的成型角度，控制所述双头万向喷嘴的A喷嘴和B喷嘴按1-3s的延时顺序铺贴纤维复合材料，同时A喷嘴和B喷嘴所喷出纤维复合材料可呈0°、±45°、90°等角度铺贴。
[0036]在使用FDM设备对纤维复合材料结构件进行制造时，先将纤维复合材料导入设备的两个万向喷嘴，调节两个万向喷嘴口的长宽比例，并调节两个万向喷嘴间的成型角度以保证纤维复合材料层间铺贴角度。具体地，将所述纤维复合材料导入增材制造设备的成型仓后，所述双头万向喷嘴的A喷嘴、B喷嘴和万向工作台随着成型轨迹自动调节X、Y、Z轴向上的动作，双头万向喷嘴的嘴口长宽比根据成型轨迹在2:0.5-1.2之间自动调节，所得抗冲击结构件的总厚度在5-15mm。
[0037]在上述结构件制造过程中，控制FDM设备成型仓温度，成型后再在一定温度下加热，保证结构件成型质量。具体地，成型仓中温度控制在60-70℃，纤维复合材料抗冲击结构件成型后通过温控系统对成型仓控制加热至120-260℃，保温固化1-1.5h，待成型仓恢复至常温后，再将该纤维复合材料抗冲击结构件取出，最终得到具有良好抗冲击性能的纤维复合材料结构件。
[0038]接下来，采用具体实施例对本发明进一步说明。
[0039]目前，通过熔融沉积增材制造技术已能够实现纤维增强复合材料结构件的制造，但现有设备由于只有一个喷嘴挤出制造，不仅生产效率很低，而且由于纤维丝沿着单一方向排列，所以经向的材料强度要大于纬向，从而导致成型的复合材料结构件力学性能欠佳。
[0040]选取某一型PBO纤维复合材料结构件为例：
[0041](1)使用传统单一喷嘴熔融沉积增材制造设备，其制造周期为50h，取其中部分进行力学性能测试，沿纤维丝方向的拉伸强度为3000MPa，垂直于纤维丝方向的拉伸强度为2600MPa。
[0042](2)使用本发明的熔融沉积增材制造方法。
[0043]实施例1
[0044]纤维复合材料包括按质量份数计：PBO纤维50份，酚醛树脂18份，表面活性剂1份。
[0045]工艺参数：A喷嘴出口温度为150℃，B喷嘴出口温度为150℃；控制纤维复合材料挤出速度，A喷嘴挤出速度为0.4m/min，B喷嘴挤出速度为0.4m/min；每层纤维复合材料的厚度为0.3mm。双头万向喷嘴A喷嘴和B喷嘴挤出纤维复合材料时序控制在1.5s。A喷嘴和B喷嘴所喷出纤维复合材料可呈+45°铺贴。所得抗冲击结构件的总厚度在13mm，成型后通过温控系统对成型仓控制加热至120℃，保温固化在1h。
[0046]所制得的纤维复合材料抗冲击结构件，拉伸强度为3200MPa。
[0047]实施例2
[0048]纤维复合材料包括按质量份数计：PBO纤维33份，酚醛树脂15份，表面活性剂0.6份。
[0049]工艺参数：A喷嘴出口温度为150℃，B喷嘴出口温度为150℃；控制纤维复合材料挤出速度，A喷嘴挤出速度为0.3m/min，B喷嘴挤出速度为0.3m/min；每层纤维复合材料的厚度为0.5mm。双头万向喷嘴A喷嘴和B喷嘴挤出纤维复合材料时序控制在1.9s。A喷嘴和B喷嘴所喷出纤维复合材料可呈+45°铺贴。所得抗冲击结构件的总厚度在11mm，成型后通过温控系统对成型仓控制加热至120℃，保温固化在1h。
[0050]所制得的纤维复合材料抗冲击结构件，拉伸强度为2950MPa。
[0051]实施例3
[0052]纤维复合材料包括按质量份数计：PBO纤维40份，酚醛树脂17份，表面活性剂0.8份。
[0053]工艺参数：A喷嘴出口温度为150℃，B喷嘴出口温度为150℃；控制纤维复合材料挤出速度，A喷嘴挤出速度为0.2m/min，B喷嘴挤出速度为0.2m/min；每层纤维复合材料的厚度为0.4mm。双头万向喷嘴A喷嘴和B喷嘴挤出纤维复合材料时序控制在1.4s。A喷嘴和B喷嘴所喷出纤维复合材料可呈+45°铺贴。所得抗冲击结构件的总厚度在12mm，成型后通过温控系统对成型仓控制加热至120℃，保温固化在1h。
[0054]所制得的纤维复合材料抗冲击结构件，拉伸强度为3080MPa。
[0055]本发明提供的一种纤维复合材料抗冲击结构件的增材制造方法，通过同时对双向万向喷嘴各喷嘴挤出温度、挤出速度，喷头挤出纤维材料的时序及层间纤维复合材料铺贴角度控制，实现了抗冲击结构件的抗冲击性能各向同性，使结构件抗力学冲击性能更优，重量更轻。同时，操作简单，生产周期短，能够明显提高生产效率。
[0056]以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准