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CN110588013B - 一种多功能一体化复合材料的复合成形方法 - Google Patents

一种多功能一体化复合材料的复合成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多功能一体化复合材料的复合成形方法，依据零部件不同功能要求进行分区，获得多个功能区和对应过渡区，依据功能区的形性要求，采用3D打印或柔性导向三维织造成形工艺进行过渡区的制造，获得两侧分别具有相邻功能区导向模板信息的过渡区，在过渡区两侧分别形成相邻功能区的Z向增强体阵列，完成所有功能区的织造成形，获得多功能一体化复合材料预制体，并进行单一基体材料或多种基体材料同步浸渍固化，实现多功能一体化复合材料的复合成形。本发明提出的复合成形方法针对不同功能区采用数量和种类不同的增强体、基体材料以及适合的成形工艺进行同步织造成形，同时，预成形的过渡区可隔离两侧的两个功能区，可满足多种基体材料的同时浸渍，在实现多功能一体化复合材料的整体成形的基础上，有效保障了不同功能区各自的成形质量、功能性和性能特征。

Description

一种多功能一体化复合材料的复合成形方法
技术领域
本发明涉及复合材料领域，具体而言，涉及一种多功能一体化复合材料的复合成形方法。
背景技术
复合材料是由一种或多种增强体和基体组成，依据不同增强体、基体种类，可以得到不同的复合材料，而对于同一种增强体和基体材料，由于组成方式的改变，也会得到不同的复合材料，尤其对于三维结构复合材料，由于材质、结构、成形方式的不同，可以获得不同的复合材料，从而表现出不同的性能特征。因此，复合材料除了具有比强度、比刚度高等轻量化材料的特性，可设计性强也是复合材料作为新一代先进结构材料的一大优势。
目前，航空航天、交通运输、生物医疗等行业对于高性能复合材料的需求越来越大，复合材料构件的应用也从装饰件、覆盖件向主承力件和功能结构件的方向发展，因此，要求复合材料构件不仅具有高性能的特性，还要满足多功能化、少/无连接、整体成形等高质量成形需求。目前，对于大型结构、高性能、多功能化的复合材料构件，主要采用多个区域分批制造，然后再连接成一个整体构件，尚未实现多功能化复合材料构件的一体化整体成形。
本发明提出了一种多功能一体化复合材料的复合成形方法，采用增材制造技术与柔性导向三维织造成形工艺相结合，针对复合材料构件的不同功能区选取对应的增强体材料和预制体结构，利用过渡区作为两侧功能区共用的导向阵列模板分别进行两侧功能区的织造成形，并通过过渡区实现两侧不同基体材料的同时浸渍，从而完成多功能区复合材料的一体化成形，减少后续连接工序，提高复合材料构件的整体性。
发明内容
针对大型结构、高性能、多功能化复合材料构件的一体化成形需求，本发明旨在提供一种多功能一体化复合材料的复合成形方法，利用过渡区实现多功能区预制体的复合织造和同步浸渍成形，以解决大型、复杂结构、高性能复合材料构件的整体成形问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提出了一种多功能一体化复合材料的复合成形方法，具体步骤如下：
①建立多功能一体化复合材料零部件的三维CAD模型，依据零部件不同功能要求，将三维CAD模型进行分区，获得功能区1、功能区2、功能区3……及功能区n和过渡区1、过渡区2、过渡区3……及过渡区n-1；
②依据功能区1的形性要求，获取功能区1的导向模板中导向结构截面形状、截面尺寸和阵列中心距信息；
③依据功能区2的形性要求，获取功能区2的导向模板中导向结构截面形状、截面尺寸和阵列中心距信息；
④依据功能区1和功能区2的导向模板信息，建立功能区1和功能区2之间过渡区1的三维CAD模型；
⑤依据过渡区1的三维CAD模型，采用3D打印或柔性导向三维织造成形工艺进行过渡区1的制造，获得一侧具有功能区1导向模板信息和另一侧具有功能区2导向模板信息的过渡区1；
⑥依据过渡区1两侧功能区1和功能区2的导向模板信息，分别选取指定尺寸和规格的Z向增强体，在过渡区1两侧分别形成功能区1的Z向增强体阵列和功能区2的Z向增强体阵列；
⑦将功能区1的三维CAD模型进行分层处理，获取层片信息，规划各层片的纤维织造路径，将功能区2的三维CAD模型进行分层处理，获取层片信息，规划各层片的纤维织造路径；
⑧分别以功能区1的Z向增强体阵列和功能区2的Z向增强体阵列为框架，同时完成所述功能区1和所述功能区2的织造成形；
⑨重复②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧步骤，直至完成所有功能区及过渡区的织造成形，获得所述零部件的预制体；
⑩依据所述零部件的性能要求，将完成的零部件预制体进行多种基体或单一基体材料的浸渍固化，完成所述多功能复合材料的一体化复合成形。
依据零部件不同功能区性能要求，选取不同功能区对应的基体材料，将不同功能区进行对应基体的浸渍固化，并且不同功能区的浸渍固化是同时进行的。
进一步的，功能区和过渡区内部的纤维结构是均匀结构或梯度结构，其增强纤维可以是连续纤维、长纤维或短纤维的一种或多种，其基体是热塑性树脂、热固性树脂、碳、碳化硅的一种或多种。
进一步的，不同功能区可采用种类和数量相同或不同的织造纤维进行织造成形，且不同功能区和过渡区所采用的成形工艺相同或不同。
应用本发明的技术方案，具有以下有益的效果：
1、针对多功能一体化的复合材料，尤其具有大型复杂结构、高性能、高精度的复合材料构件，以往多将不同部位进行分批制造在拼接成一体的成形方法，而采用本发明技术方案，可实现多功能一体化复合材料的整体成形，避免了复合材料不同部位的多次连接，从而保证了复合材料的整体性和综合性能。
2、利用复合材料可设计性强的特点，本发明采用增材制造技术和柔性导向三维织造成形工艺相复合，并针对多功能一体化复合材料的不同功能进行增强体材料、基体材料和成形工艺的选择，并开展不同成形工艺的同步执行，实现构件的复合成形，有效缩短了制造周期，且对于不同功能区采用指定数量和种类的增强体、基体材料，并采用合适的成形工艺，有效保障了不同功能区各自的成形质量和制造性能，实现了多功能一体化复合材料的控形控性制造，获得了更高性能和更高精度的复合材料制品。
3、本发明技术方案中预成形的过渡区，一方面可作为两侧功能区的导向模板，利于不同功能区的同步织造；另一方面，适用于多种基体材料的同步浸渍成型。当相邻功能区选用的基体材料不同时，在同步浸渍过程中，过渡区可隔离两侧的两个功能区，从而实现两种基体材料的同时浸渍，有利于多功能一体化复合材料复合成形的同时，还保证各个功能区维持各自的功能性和性能特征。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了预先成形的过渡区示意图；
图2示出了以过渡区为导向模板的多功能区同步织造成形示意图；
图3示出了多功能区同步浸渍成型过程示意图；
图4示出了根据本发明实施例的多功能一体化复合材料曲面构件示意图；
图5示出了根据本发明实施例的复杂结构多功能一体化复合材料构件示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实例来详细说明本发明。
实施例1
如图4所示的复合材料曲面构件示意图，利用本发明一种多功能一体化复合材料的复合成形方法，织造成形步骤如下：
①采用CAD等软件建立该曲面构件的三维CAD模型，将三维CAD模型分为功能区1、功能区2及过渡区；
②功能区1为构件的基础框架和主体部分，选用柔性导向三维织造成形工艺进行成形；
③功能区2主要为构件外层的几条加强筋，选用连续纤维3D打印技术；
④依据功能区1和功能区2的性能要求，建立功能区1和功能区2之间过渡区1的三维CAD模型；
⑤采用柔性导向三维织造成形工艺进行过渡区1预制体的制造，过渡区1预制体的纤维结构为梯度结构，靠近功能区1的纤维结构更致密，靠近功能区2的纤维结构更稀疏，织造完成的过渡区1预制体进行环氧树脂基体的浸渍后获得预成形的过渡区1；
⑥在过渡区1的一侧采用玻璃纤维进行柔性导向三维织造成形，另一侧采用3D打印技术进行连续玻璃纤维/PC复合材料的打印，打印路径为三维CAD模型中加强筋的轨迹；
⑦待功能区1完成三维织造成形和功能区2完成打印成形后，选用环氧树脂进行功能区1的浸渍固化，最初完成曲面构件的复合成形。
实施例2
如图5所示的复杂结构多功能一体化复合材料构件示意图，利用本发明一种多功能一体化复合材料的复合成形方法，织造成形步骤如下：
①建立该复杂结构复合材料构件的三维CAD模型，将所述三维CAD模型进行分区，获得功能区1、功能区2、功能区3及过渡区1、过渡区2；
②采用3D打印技术进行短纤维增强复合材料过渡区1和过渡区2的制造，过渡区1中短纤维的密度沿径向呈梯度分布，过渡区2中短纤维均匀弥散分布；
③通过过渡区1两侧预留的导向模板信息，进行功能区1和功能区2导向阵列的布置；
④通过过渡区2两侧预留的导向模板信息，进行功能区3导向阵列的布置；
⑤通过功能区2的导向阵列将过渡区1和过渡区2连接起来，形成3个功能区和2个过渡区的整体结构；
⑥依据功能区1的形性要求，选用柔性导向三维织造成形工艺进行玻璃纤维的缠绕织造；
⑦依据功能区2的形性要求，选用柔性导向三维织造成形工艺进行碳纤维的铺放织造；
⑧依据功能区3的形性要求，选用柔性导向三维织造成形工艺进行碳纤维的缠绕织造；
⑨3个功能区的织造成形同时进行，最终完成复杂结构多功能一体化复合材料预制体的织造成形；
⑩将完成的预制体置入刚性模具中进行浸渍固化，3个功能区分别进行热塑性增韧环氧树脂、环氧树脂和酚醛树脂的浸渍，其中过渡区1和过渡区2与刚性模具紧密贴合，实现3种基体材料的同时浸渍，最终完成多功能复合材料的一体化复合成形。
上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims (6)

1.一种多功能一体化复合材料的复合成形方法，其特征在于，具体步骤如下：
①建立多功能一体化复合材料零部件的三维CAD模型，依据所述零部件不同功能要求，将所述三维CAD模型进行分区，获得功能区1、功能区2、功能区3……及功能区n和过渡区1、过渡区2、过渡区3……及过渡区n-1；
②依据功能区1的形性要求，获取所述功能区1的导向模板中导向结构截面形状、截面尺寸和阵列中心距信息；
③依据功能区2的形性要求，获取所述功能区2的导向模板中导向结构截面形状、截面尺寸和阵列中心距信息；
④依据所述功能区1和功能区2的导向模板信息，建立功能区1和功能区2之间过渡区1的三维CAD模型；
⑤依据所述过渡区1的三维CAD模型，采用3D打印或柔性导向三维织造成形工艺进行过渡区1的制造，获得一侧具有功能区1导向模板信息和另一侧具有功能区2导向模板信息的过渡区1；
⑥依据所述过渡区1两侧功能区1和功能区2的导向模板信息，分别选取指定尺寸和规格的Z向增强体，在过渡区1两侧分别形成功能区1的Z向增强体阵列和功能区2的Z向增强体阵列；
⑦将所述功能区1的三维CAD模型进行分层处理，获取层片信息，规划各层片的纤维织造路径，将所述功能区2的三维CAD模型进行分层处理，获取层片信息，规划各层片的纤维织造路径；
⑧分别以所述功能区1的Z向增强体阵列和所述功能区2的Z向增强体阵列为框架，同时完成所述功能区1和所述功能区2的织造成形；
⑨重复②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧步骤，直至完成所有功能区及过渡区的织造成形，获得所述零部件的预制体；
⑩依据所述零部件的性能要求，将完成的零部件预制体进行多种基体或单一基体材料的浸渍固化，完成所述多功能一体化复合材料的一体化复合成形；
所述的多种基体浸渍固化是依据零部件不同功能区性能要求，选取不同功能区对应的基体材料，将不同功能区进行对应基体的浸渍固化，浸渍固化是同时进行的。
2.根据权利要求1所述的多功能一体化复合材料的复合成形方法，其特征在于，所述功能区和过渡区的内部纤维结构是均匀结构或梯度结构。
3.根据权利要求1所述的多功能一体化复合材料的复合成形方法，其特征在于，所述功能区和过渡区的增强纤维是连续纤维、长纤维或短纤维的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的多功能一体化复合材料的复合成形方法，其特征在于，所述功能区和过渡区的基体是热塑性树脂、热固性树脂、碳、碳化硅的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的多功能一体化复合材料的复合成形方法，其特征在于，对于不同的功能区的织造成形，织造纤维的种类和数量相同或不同。
6.根据权利要求1所述的多功能一体化复合材料的复合成形方法，其特征在于，所有功能区及过渡区的织造成形，采用的成形工艺相同或不同。
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