一种基于等离子体表面改性处理的3D打印方法

摘要

本发明属于3D打印技术领域，公开了一种基于等离子体表面改性处理的3D打印方法，在不同放电功率、气体组分和处理时间条件下对3K碳纤维丝束进行等离子体表面改性处理，并对等离子体处理后的碳纤维表面形貌和表面自由能进行观察和测量，优化获得碳纤维表面改性等离子体处理参数；利用有限元仿真技术，在碳纤维复合材料受到冲击载荷的模拟工况下，分析仿生结构；基于仿真计算结果，采用适宜的螺旋角度、孔洞布置，设计出轻质高强、抗冲击性能好的仿生结构；采用上述方法获得的仿生结构，在3D打印设备工控机上进行切片分层处理。本发明通过3D打印保证孔洞处的纤维不被切断，能维持复合材料层合板以及复合材料的结构强度。

说明书

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及一种基于等离子体表面改性处理的3D打印方法。

背景技术

目前，碳纤维增强环氧树脂复合材料是一种强度、刚度、耐热性均好的复合材料，是一种力学性能优异的材料。但是碳纤维与树脂基体的粘结性能差，而且存在各向异性，使用3D打印技术进行复合材料制备时，往往会由于纤维和树脂基体间的层间结合力小导致复合材料的抗冲击性能弱，材料容易发生层间开裂的损伤失效。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术中使用3D打印技术进行复合材料制备时，往往会由于纤维和树脂基体间的层间结合力小导致复合材料的抗冲击性能弱，材料容易发生层间开裂的损伤失效。

解决以上问题及缺陷的难度为：常规的表面改性方法如化学氧化、电化学处理、高温气体氧化等，其作用时间长、效率低，容易影响基体内部性能。解决以上问题及缺陷的意义为：通过等离子体改变碳纤维表面化学物理状态后，形成自由基、活性基团和纤维表面刻蚀等，提高连续纤维与树脂基体的界面粘结强度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于等离子体表面改性处理的3D打印方法。本发明具有提高碳纤维浸润性、仿生效果好、性能可靠、成形件抗冲击性能好，能够满足使用要求、能够广泛被推广应用等优点。

本发明是这样实现的，一种基于等离子体表面改性处理的3D打印方法，所述基于等离子体表面改性处理的3D打印方法包括：

在不同放电功率、气体组分和处理时间条件下对3K碳纤维丝束进行等离子体表面改性处理，其中放电功率分别为100W、200W、300W，处理时间分别为60s、120s、180s，混合气体包括甲烷、二氧化碳和氧气。并对等离子体处理后的碳纤维表面形貌和表面自由能进行观察和测量，优化获得碳纤维表面改性等离子体处理参数；

利用有限元仿真技术，在碳纤维复合材料受到冲击载荷的模拟工况下，分析仿生结构；基于仿真计算结果，采用适宜的螺旋角度、孔洞布置，设计出轻质高强、抗冲击性能好的仿生结构；

采用获得的仿生结构，在3D打印设备工控机上进行切片分层处理；

将切片分层处理数据导入3D打印机，使用经过等离子体表面处理后的碳纤维作为增强材料进行制备，得到相同结构的仿生复合材料试件。

进一步，对等离子体处理后的碳纤维表面形貌和表面自由能进行观察和测量采用的设备为：利用扫描电镜和接触角测量仪。

进一步，分析仿生结构具体为：比较不同螺旋角度、不同孔洞大小和排列的仿生结构。

进一步，在3D打印设备工控机上进行切片分层处理时，首先利用CAD软件构建三维数模，其次将三维数模转换成三维模型STL文件。

进一步，对得到的仿生复合材料试件进行测试，包括：典型区域的三维形貌观测、拉压测试和冲击性能测试。

本发明的另一目的在于提供一种碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备方法，碳纤维增强环氧树脂复合材料使用所述的基于等离子体表面改性处理的3D打印方法。

本发明的另一目的在于提供一种由所述碳纤维增强环氧树脂复合材料的制备方法制备的碳纤维增强环氧树脂复合材料。

本发明的另一目的在于提供一种承载零件，所述承载零件使用所述的碳纤维增强环氧树脂复合材料。

本发明的另一目的在于提供一种高压泵，所述高压泵使用所述的碳纤维增强环氧树脂复合材料。

本发明的另一目的在于提供一种液压系统，所述液压系统使用所述的碳纤维增强环氧树脂复合材料。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明所要解决的技术问题就是通过等离子体表面处理显著增加碳纤维的表面粗糙度，且在表面引入了CH2-O-CH2等极性基团，进而显著提高了碳纤维的浸润性；根据碳纤维复合材料抗冲击性能的要求，确定仿生的螺旋绕孔结构，通过3D打印保证孔洞处的纤维不被切断，能维持复合材料层合板以及复合材料的结构强度。同时本发明的仿生结构具有层间结合力强、抗冲击性能优异的特点，而且在保证满足使用要求的前提下，可以实现结构的轻质化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。

图1是本发明实施例提供的基于等离子体表面改性处理的3D打印方法的流程图。

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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于等离子体表面改性处理的3D打印方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于等离子体表面改性处理的3D打印方法包括：

S101：在不同放电功率、气体组分和处理时间条件下对3K碳纤维丝束进行等离子体表面改性处理，并对等离子体处理后的碳纤维表面形貌和表面自由能进行观察和测量，优化获得碳纤维表面改性等离子体处理参数。

S102：利用有限元仿真技术，在碳纤维复合材料受到冲击载荷的模拟工况下，分析仿生结构；基于仿真计算结果，采用适宜的螺旋角度、孔洞布置，设计出轻质高强、抗冲击性能好的仿生结构。

S103：采用上述方法获得的仿生结构，在3D打印设备工控机上进行切片分层处理。

S104：将切片分层处理数据导入3D打印机，使用经过S101等离子体表面处理后的碳纤维作为增强材料进行制备，得到与S102相同结构的仿生复合材料试件。

本发明提供的基于等离子体表面改性处理的3D打印方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的基于等离子体表面改性处理的3D打印方法仅仅是一个具体实施例而已。

本发明实施例提供的S101中，对等离子体处理后的碳纤维表面形貌和表面自由能进行观察和测量采用的设备为：利用扫描电镜和接触角测量仪。

本发明实施例提供的S102中，分析仿生结构具体为：比较不同螺旋角度、不同孔洞大小和排列的仿生结构。

本发明实施例提供的S103中，在3D打印设备工控机上进行切片分层处理时，首先利用CAD软件构建三维数模，其次将三维数模转换成三维模型STL文件。

本发明实施例提供的S104中，对得到的仿生复合材料试件进行测试，包括：典型区域的三维形貌观测、拉压测试和冲击性能测试。

本发明在不同放电功率、气体组分和处理时间条件下对3K碳纤维丝束进行等离子体表面改性处理，其中放电功率分别为100W、200W、300W，处理时间分别为60s、120s、180s，混合气体包括甲烷、二氧化碳和氧气。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。