基于3D打印成型的三维整体编织方法及制备的复合材料

摘要

本发明公开了一种基于3D打印快速成型的三维整体编织方法及制备的复合材料，包括如下步骤：构建基模的3D打印模型；纱线布置；采用三维编织同时完成预制件的编织；树脂复合固化。本发明通过将3D打印技术与三维编织技术的结合，可以快速实现复杂异型构件的一次性三维编织成型，简化了工艺流程，自动化程度高，并且，由于3D打印技术具有较强的可操作性，通过合理选择3D打印材料及基模结构，可以满足各种三维编织成品的应用需求。

说明书

技术领域

本发明涉及三维编织技术领域，特别涉及一种基于3D打印快速成型的三维整体编织方法及制备的复合材料。

背景技术

三维编织复合材料因其具有高的比强度、比模量，高的损伤容限和断裂韧性，耐冲击、不分层、抗疲劳、耐烧蚀等优点，已在航空、航天等耐高温结构中得到广泛应用，在实际工业生产过程中常用于一次成型较为复杂的零部件。但是，目前三维编织复合材料的品种过少、加工效率低和工艺成本高，不利于优化复合材料的性能，对于刚性和强度要求较高的构件，现有的三维编织复合材料难以满足其要求。要获得综合性能更好的三维编织复合材料，急需开发更多的三维编织工艺。同时三维编织技术要实现复杂异型构件的编织成型通常需要借助基模完成作业，这对基模的制作精度要求较高；并且对于空心构件等的编织作业，在不损坏三维编织复合材料构件的基础上完成基模的移除，也成为异型构件难以解决的技术问题。

3D打印也叫增材制造技术或快速成型(RP)，原理是将计算机设计出的三维模型分解成若干层平面切片，然后把打印材料按切片图形逐层叠加，最终堆积成完整的物体。3D打印优势包括：降低约50％的制造费用、缩短70％的加工周期、实现设计制造一体化，并且3D打印精度高，材料种类多样，如PLA(环保材料)、ABS、尼龙、PHA、木质材料、树脂、金属粉末、陶瓷等，可以满足不同材质结构件的打印需求。

因此，提供一种工艺简单，自动化程度高，且可用于制备复杂异型构件的基于3D打印快速成型的三维整体编织方法及制备的复合材料是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于3D打印快速成型的三维整体编织方法，通过将3D打印技术与三维编织技术的结合，可以实现复杂异型构件的一次性快速三维编织成型，简化了工艺流程，自动化程度高，并且，由于3D打印技术具有较强的可操作性，通过合理选择3D打印材料及基模结构，可以实现各种三维编织成品的应用需求。为实现上述目的其具体方案如下：

一种基于3D打印快速成型的三维整体编织方法，包括如下步骤：

步骤1，构建基模的3D打印模型，获得所述基模的全部n层三维数据信息；

步骤2，纱线布置，编织机器底盘固定在3D打印机械臂的同侧，携纱器沿底盘轨道分布在所述3D打印机械臂的外围，并根据编织纱线与缠绕纱线交织的织物组织结构，沿径向和周向的初始排列布置编织纱线；

步骤3，预制件的制备，所述基模3D打印至第k层时，从所述基模的第1层开始基于所述基模表面逐层进行三维编织，所述携纱器根据前k层所述基模的结构沿所述底盘轨道按照预设的编织路径进行交织，同时所述3D打印机械臂进行第k+1层基模的打印操作，直至完成全部n层基模的三维编织，构成复合材料预制件；

步骤4，树脂复合固化，将三维编织好的所述复合材料预制件，注入树脂，所述复合材料预制件充分浸渍树脂后，进行加温复合固化。

优选的，所述基模采用可溶性3D打印材料打印制作而成，包括但不限于BVOH、PVA。

优选的，所述步骤4之后还包括：基模的溶解，将所述复合材料预制件浸没在溶解所述可溶性3D打印材料的溶剂中，待所述基模完全溶解后取出，所述复合材料预制件形成中空结构；其中所述溶剂包括但不限于水。

优选的，所述步骤3中所述k值依据基模结构设定。

优选的，所述步骤3中所述预设的编织路径与所述基模的设计形状相适应，并且根据需要选择调用全部所述携纱器或者部分所述携纱器。

优选的，同一层面的若干相互独立的基模子结构同时打印完成，此时，所述携纱器按照区域进行划分，各区域分布与所述层面的若干个基模子结构分布相匹配，同时在所述若干个基模子结构表层进行三维编织。

由于3D打印是按切片图形逐层打印的，因此，基模的整体结构也是逐层叠加形成的，这也为简化三维编织工艺流程提供了条件，对于异型构件的基模，无需为了适应三维编织的后期加工及基模的移除作业，考虑复杂的零部件组装、拆除顺序，仅需考虑相同截面形状的基模子结构所占用的层级数量，以及基模子结构的外形特征，选择携纱器区域以及该区域携纱器的编织路径即可实现多个基模子结构的同时编织。

本发明公开的一种基于3D打印快速成型的三维整体编织方法及制备的复合材料，将3D打印技术引入到三维编织方法中，具有以下优势：

1、将基模设计，基模成型，三维编织、预制件成型的工艺步骤紧密联系成为一体化生产加工流程，可以在基模打印的同时进行三维编织作业，简化工艺的同时，提高了三维编织技术的自动化程度；

2、实现了复杂异型构件的一次性三维编织成型，由于3D打印技术具有较强的可操作性，通过合理选择3D打印材料，可以实现各种三维编织成品的应用需求：(1)在原三维编织复合材料的基础上，选择材质坚硬的3D打印材料，如金属粉末等，作为3D打印基模支撑于三维编织复合材料内部，增加了异型构件的刚度和强度；(2)由于3D打印材料多是高分子材料，其物理性能(如韧性、刚度、耐疲劳性等)及化学性能等大多不能满足工程实际的使用要求，不能作为功能性零件，只能做原型件使用，从而其应用将大打折扣，本发明引入纤维三维编织，能够弥补3D打印零件韧性、刚度、耐疲劳性不足的缺陷，从而整体提高了复合材料的力学特性(3)选择可溶性3D打印材料，可以用于制作各种中空异型结构产品或需要提供通道的任意中空部件。

3、能够有效提高异型构件预制件的制作精度，避免了后期加工对三维编织成品造成的损坏，无需通过剪裁三维编织的织物组织结构，就能够实现基模的拆除，成品完整度高，进一步保证了三维编织的成品合格率。

4、制备的复合材料的能够实现在3D打印的同时完成三维编织，一次性快速成型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一的一种基于3D打印快速成型的三维整体编织方法的流程示意图；

图2为本发明实施例二的一种基于3D打印快速成型的三维整体编织方法的流程示意图。

具体实施方式

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。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。

实施例一

已有的三维编织技术制作的复合材料的抗剪切性能、抗弯、抗扭、抗冲击等性能虽然已得到部分改进，但是对于材料硬度和刚度有要求的异型支撑结构件，传统的复合材料无法体现良好的受力性能，该方法将3D打印技术和纺织行业中的三维编织方法进行有效融合，用来提高异型三维编织复合材料的受力强度。

如图1所示本发明第一种实施方式公开了一种基于3D打印快速成型的三维整体编织方法包括如下步骤：

S1，构建基模的3D打印模型，获得基模的全部n层三维数据信息。

S2，纱线布置，编织机器底盘固定在3D打印机械臂的同侧，携纱器沿底盘轨道分布在3D打印机械臂的外围，并根据编织纱线与缠绕纱线交织的织物组织结构，沿径向和周向的初始排列布置编织纱线。

需要说明的是，底盘中心位置为3D打印机械臂留有操作孔，供3D打印机械臂伸入编织区，3D打印机械臂设计为多关节机械臂，连接有打印喷头的前臂，前臂的可转动范围满足基模产品尺寸的打印需要，因此，操作孔不会因3D打印机械臂的移动而发生位置改变，不会影响携纱器在底盘轨道内移动的编织路径。

S3，预制件的制备，基模3D打印至第k层时，从基模的第1层开始基于基模表面逐层三维编织，携纱器根据前k层基模的结构沿底盘轨道按照预设的编织路径进行交织，同时3D打印机械臂进行第k+1层基模的打印操作，直至完成全部n层基模的三维编织，构成复合材料预制件。

3D打印的方向与三维编织的方向一致，k值依据基模结构进行设定，设定条件可以为：1、按照基模横截面结构的异同进行基模子结构划分，相同横截面结构的基模子结构打印的同时进行当前横截面的三维编织作业；2、按照基模初始打印高度进行划分，若相同横截面结构的层叠加高度过高，可以参考三维编织速度确定k的取值，以满足三维编织程序延后于3D打印程序的所需时长。

S4，树脂复合固化，将三维编织好的复合材料预制件，注入树脂，复合材料预制件充分浸渍树脂后，进行加温复合固化。

进一步的，S3中预设的编织路径与基模的设计形状相适应，并且根据需要选择调用全部携纱器或者部分携纱器。

进一步的，同一层面的若干相互独立的基模子结构同时打印完成，此时，携纱器按照区域进行划分，各区域分布与层面的若干个基模子结构分布相匹配，同时在若干个基模子结构表层进行三维编织。

本实施例以矩形框架为例对提供的基于3D打印快速成型的三维整体编织方法进行说明：

1)底框的打印。选择金属粉末作为3D打印材料，3D打印机械臂按照基模的3D打印模型，打印底框所处的k层三维数据信息，k的取值为底框的层数。

2)编织纱线的布线。设置m股纱线，每根纱线一端固定在携纱器上，另一端沿径向均匀挂在底框内外两侧。

3)底框的编织。当第k层三位数据信息打印完成后，编织机启动，携纱器按照预设的底框编织路径开始沿底框表面进行三维编织，结合横向编织纱线完成横向/纵向交织，并形成底框编织部。与此同时，3D打印机械臂持续打印作业，并开始打印4个立柱，直至顶框打印完成。

4)4个立柱的编织。将m股纱线划分为4个区域，分别实现4个立柱的径向编织，4个区域的携纱器同时按照预设的同一立柱编织路径进行编织，可同时实现4个立柱的编织操作。

5)顶框的编织。此步同底框的编织操作，4个区域的携纱器复位按照预设的顶框编织路径进行三维编织，编织完成后形成复合材料预制件。

6)树脂复合固化。将三维编织好的复合材料预制件，注入树脂，复合材料预制件充分浸渍树脂后，进行加温复合固化，得到成品。

金属粉末打印得到的金属基模硬度大，作为三维编织复合材料的内部支撑件，能够有效提供支撑力，产品结构更加坚韧、稳固。

同时，对于3D聚合物打印材料形成的基模，外部通过三维编织方法形成高性能复合材料的织物结构，增加了3D打印基模的韧性、刚度、耐疲劳性等力学性能，二者实现了互补的技术效果。

实施例二

如图2所示本发明的第二种实施方式。本发明第二种实施方式与第一种实施方式的主要区别在于，

基模采用可溶性3D打印材料打印制作而成，包括但不限于BVOH、PVA；

然后进入步骤S4树脂复合固化，S5的具体步骤同实施例一中的S4，此处不再赘述。

基模的溶解作为步骤S5，将复合材料预制件浸没在溶解可溶性3D打印材料的溶剂中，待基模完全溶解后取出，复合材料预制件形成中空结构；其中溶剂包括但不限于水。

该实施例提供了一种用于制造需要减轻重量和/或需要提供通道的任意结构的中空部件。例如，含有使用BVOH基模的复合材料预制件进行树脂复合固化后，将复合材料预制件浸入水中，待几分钟后，BVOH即会溶解于水中，此时复合材料预制件将形成中空结构框体，再进行得到最终产品。该处理过程可以轻松移除基模，且不会对复合材料造成损伤，保证产品的完整形态。同时，本方法扩展了三维编织的应用范围，可快速实现各种复杂异型构件的三维编织。

以上对本发明所提供的一种基于3D打印快速成型的三维整体编织方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。