本發(fā)明屬于復(fù)合材料增材制造成形，具體涉及一種基于3d打印與纖維纏繞的內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件成形方法。

背景技術(shù)：

1、復(fù)合材料纖維纏繞是將連續(xù)纖維浸潤樹脂后，按照一定規(guī)律纏繞到芯模上的復(fù)合材料回轉(zhuǎn)構(gòu)件的成型工藝方法，其能夠高效快速地實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)類殼體的制造。復(fù)合材料3d打印是將纖維與樹脂結(jié)合，形成打印絲材，按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)路徑，通過逐層堆積的方式，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體成型的工藝的方法，能高效制造出傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料構(gòu)件。

2、?現(xiàn)有技術(shù)中，文獻(xiàn)cn2023117773805?公開了一種大開口復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體變形可控纏繞組合模具，其包括芯軸、分瓣模和封頭，分瓣模沿周向包裹在芯軸外部，兩端固定在芯軸上，封頭通過緊固螺母，該專利針對(duì)內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料殼體設(shè)計(jì)模具，但其無法適用于內(nèi)部凸臺(tái)和加筋的復(fù)合材料殼體結(jié)構(gòu)。

3、含有內(nèi)凸臺(tái)加筋的殼體結(jié)構(gòu)/構(gòu)件廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。采用碳纖維復(fù)合材料成型復(fù)雜殼體，結(jié)構(gòu)重量輕，相比于鋁合金可減重30%以上，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到3000mpa以上，遠(yuǎn)高于普通鋼材。但對(duì)于內(nèi)部含有凸臺(tái)與加筋的復(fù)雜結(jié)構(gòu)/構(gòu)件，復(fù)合材料殼體難以通過纏繞一次高質(zhì)量成型，且基于常規(guī)技術(shù)路線需要配合機(jī)械加工實(shí)現(xiàn)內(nèi)部復(fù)雜凸臺(tái)與加強(qiáng)筋制造，會(huì)嚴(yán)重破壞結(jié)構(gòu)內(nèi)部的纖維連續(xù)性，降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。更關(guān)鍵的是，對(duì)于內(nèi)部含有凸臺(tái)與加筋的復(fù)雜結(jié)構(gòu)/構(gòu)件，如何在其凸臺(tái)內(nèi)以及構(gòu)件內(nèi)壁表層2-3mm深的范圍內(nèi)有效植入纖維絲束一直是本領(lǐng)域面臨的技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于一種基于3d打印與纖維纏繞的內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件成形方法，用于內(nèi)部含有凸臺(tái)和加筋的復(fù)合材料殼體構(gòu)件高質(zhì)量成形。

2、本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案。

3、一種基于3d打印與纖維纏繞的內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件成形方法，步驟包括：

4、步驟1，組裝內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件的成形模具，并將其安裝在變位機(jī)上；

5、步驟2，采用3d打印設(shè)備和纖維纏繞設(shè)備在成形模具上成形坯件，其內(nèi)凸臺(tái)加筋區(qū)域的纖維纏繞軌跡呈若干層球面輪廓結(jié)構(gòu)；本發(fā)明中，球面輪廓是指基本呈球面的輪廓狀；

6、步驟3，將所得坯件進(jìn)行固化，拆模后得內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件。

7、作為優(yōu)選方案，所述的成形模具包括：芯軸，在芯軸外圍設(shè)置有芯模包覆組件，在芯模包覆組件上設(shè)置有半圓凹槽、橢圓槽、加強(qiáng)筋匹配槽、螺紋筋匹配槽、環(huán)形凸臺(tái)匹配槽，芯模包覆組件包括分瓣模一、分瓣模二、分瓣模三、分瓣模四、分瓣模五、分瓣模六，由這六個(gè)分瓣模的外壁共同構(gòu)成內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件的內(nèi)成形面；在芯模包覆組件兩端部設(shè)置有端蓋和封蓋。

8、作為更優(yōu)選方案，分瓣模一的內(nèi)圓弧輪廓寬度大于外圓弧輪廓寬度，其余分瓣模的內(nèi)圓弧輪廓寬度均小于相應(yīng)的外圓弧輪廓寬度；芯模包覆組件兩端部呈楔形圓柱結(jié)構(gòu)。

9、進(jìn)一步地，為了能夠在內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件的凸臺(tái)內(nèi)有效植入纖維絲束，采用3d打印設(shè)備和纖維纏繞設(shè)備在成形模具上成形坯件的步驟包括：

10、步驟21，在芯模包覆組件上且位于半圓凹槽所在部位和橢圓槽所在部位間隔、環(huán)向纏繞第一部分纖維絲束，位于半圓凹槽和橢圓槽內(nèi)的纖維絲束呈弧形結(jié)構(gòu)，第一部分纖維絲束的覆蓋范圍不超過半圓凹槽寬度或橢圓槽寬度的2~3倍；

11、步驟22，在半圓凹槽所在部位和橢圓槽所在部位軸向打印間隔布置的第一線性復(fù)合材料，由第一線性復(fù)合材料和第一部分纖維絲束共同構(gòu)成呈球面輪廓的第一網(wǎng)格層；

12、步驟23，在第一網(wǎng)格層的網(wǎng)孔區(qū)域繼續(xù)打印并填充點(diǎn)狀復(fù)合材料，由第一點(diǎn)狀復(fù)合材料和第一網(wǎng)格層共同構(gòu)成第一復(fù)合材料層；

13、步驟24，參照步驟21至步驟23，在第一復(fù)合材料層上繼續(xù)間隔、環(huán)向纏繞纖維絲束，打印線性復(fù)合材料和點(diǎn)狀復(fù)合材料，直到形成目標(biāo)厚度的第n復(fù)合材料層；

14、步驟25，在第n復(fù)合材料層上連續(xù)打印并填充復(fù)合材料，直到復(fù)合材料充滿整個(gè)半圓凹槽和橢圓槽，并壓實(shí)；

15、步驟26，在芯模包覆組件表面先軸向間隔鋪設(shè)纖維絲束，然后繼續(xù)在芯模包覆組件表面打印復(fù)合材料，使芯模包覆組件表面形成厚度為2-3mm的殼體結(jié)構(gòu)；

16、步驟27，設(shè)定纖維纏繞設(shè)備的張力與纏繞軌跡，采用連續(xù)纖維螺旋+環(huán)向纏繞殼體的方式成形剩下厚度的結(jié)構(gòu)。

17、為了能夠更穩(wěn)定地在構(gòu)件凸臺(tái)內(nèi)定向植入纖維絲束，步驟21中，在間隔、環(huán)向纏繞纖維絲束的過程中，借助于工具頭壓入半圓凹槽和橢圓槽內(nèi)使纏繞的纖維絲束能夠貼靠在槽的半圓凹槽內(nèi)壁和橢圓槽內(nèi)壁。

18、為了更方便的在凸臺(tái)內(nèi)定向植入纖維絲束，工具頭由若干個(gè)可拆卸的工具單體拼接構(gòu)成，每個(gè)工具單體能夠下壓1~3條纖維絲束。

19、作為優(yōu)選方案，第一部分纖維絲束的相鄰絲束間距控制為5mm。

20、進(jìn)一步地，為了能夠在構(gòu)件內(nèi)壁表層2-3mm深的范圍內(nèi)有效植入纖維絲束，步驟26中在芯模包覆組件表面先軸向間隔鋪設(shè)纖維絲束的具體步驟為：先將設(shè)定長度且繃直的纖維絲束兩端卡嵌在端蓋和封蓋上的卡槽內(nèi)，并在步驟27結(jié)束后去掉端部的纖維絲束余料。

21、作為優(yōu)選方案，卡槽的寬度為纖維絲束直徑的0.9倍。

22、進(jìn)一步地，為了能夠更方便的在構(gòu)件內(nèi)壁表層2-3mm深的范圍內(nèi)有效植入纖維絲束，卡槽沿著端蓋和封蓋的側(cè)壁和外端壁布置。

23、有益效果：本發(fā)明提出了一種含有內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件的專用成形方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)這類構(gòu)件的高質(zhì)量成型，能夠顯著提高構(gòu)件內(nèi)凸臺(tái)的抗剪切性能和強(qiáng)度，而且能夠在構(gòu)件的凸臺(tái)內(nèi)以及構(gòu)件內(nèi)壁表層2-3mm深的范圍內(nèi)有效植入纖維絲束。

技術(shù)特征：

1.一種基于3d打印與纖維纏繞的內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件成形方法，其特征在于步驟包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件成形方法，其特征在于，所述的成形模具包括：芯軸（1），在芯軸（1）外圍設(shè)置有芯模包覆組件（3），在芯模包覆組件（3）上設(shè)置有半圓凹槽（3021）、橢圓槽（3022）、加強(qiáng)筋匹配槽（3023）、螺紋筋匹配槽（3024）、環(huán)形凸臺(tái)匹配槽（3025），芯模包覆組件（3）包括分瓣模一（301）、分瓣模二（302）、分瓣模三（303）、分瓣模四（304）、分瓣模五（305）、分瓣模六（306），由這六個(gè)分瓣模的外壁共同構(gòu)成內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件的內(nèi)成形面；在芯模包覆組件（3）兩端部設(shè)置有端蓋（2）和封蓋（4）。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件成形方法，其特征在于：分瓣模一（301）的內(nèi)圓弧輪廓寬度大于外圓弧輪廓寬度，其余分瓣模的內(nèi)圓弧輪廓寬度均小于相應(yīng)的外圓弧輪廓寬度；芯模包覆組件（3）兩端部呈楔形圓柱結(jié)構(gòu)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件成形方法，其特征在于，采用3d打印設(shè)備和纖維纏繞設(shè)備在成形模具上成形坯件的步驟包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件成形方法，其特征在于：步驟21中，在間隔、環(huán)向纏繞纖維絲束的過程中，借助于工具頭（9）壓入半圓凹槽（3021）和橢圓槽（3022）內(nèi)使纏繞的纖維絲束能夠貼靠在槽的半圓凹槽（3021）內(nèi)壁和橢圓槽（3022）內(nèi)壁。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件成形方法，其特征在于：工具頭（9）由若干個(gè)可拆卸的工具單體（11）拼接構(gòu)成，每個(gè)工具單體（11）能夠下壓1~3條纖維絲束。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件成形方法，其特征在于：第一部分纖維絲束的相鄰絲束間距控制為5mm。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件成形方法，其特征在于，步驟26中在芯模包覆組件（3）表面先軸向間隔鋪設(shè)纖維絲束的具體步驟為：先將設(shè)定長度且繃直的纖維絲束兩端卡嵌在端蓋（2）和封蓋（4）上的卡槽（7）內(nèi)，并在步驟27結(jié)束后去掉端部的纖維絲束余料。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件成形方法，其特征在于：卡槽（7）的寬度為纖維絲束直徑的0.9倍。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件成形方法，其特征在于：卡槽（7）沿著端蓋（2）和封蓋（4）的側(cè)壁和外端壁布置。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于3D打印與纖維纏繞的內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件成形方法，步驟包括：組裝內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件的成形模具，并將其安裝在變位機(jī)上；采用3D打印設(shè)備和纖維纏繞設(shè)備在成形模具上成形坯件，其內(nèi)凸臺(tái)加筋區(qū)域的纖維纏繞軌跡呈若干層球面輪廓結(jié)構(gòu)；將所得坯件進(jìn)行固化，拆模后得內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件。本發(fā)明提出了一種含有內(nèi)凸臺(tái)加筋復(fù)合材料構(gòu)件的專用成形方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)這類構(gòu)件的高質(zhì)量成型，能夠顯著提高構(gòu)件內(nèi)凸臺(tái)的抗剪切性能和強(qiáng)度。

技術(shù)研發(fā)人員：冉旭東,周少蘭,雷偉,黃樹海,陶健全,陳強(qiáng),向林,萬元元,吳洋,張菲玥
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國兵器裝備集團(tuán)西南技術(shù)工程研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6