纤维增强复合材料增材制造技术研究

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纤维增强复合材料由于能够显著提高工件的力学性能而被广泛应用于航空航天领域。传统的注塑成型、压模成型、纤维缠绕等制造工艺存在模具成本高、工艺复杂、成型时间相对较长、制造工艺困难等局限性,因此有学者提出利用增材制造方法制造纤维增强复合工件。短纤维增强复合材料增材制造技术比较成熟,但是短纤维对力学性能的改善效果有限。连续纤维对力学性能的改善效果显著,但是国内外学者关于连续纤维增强复合材料增材制造技术的研究尚未见报道,目前无成熟技术可以应用到实际工程中。因此本论文采用了理论分析、装置研制和实验相结合的方法,分析了连续纤维增强复合材料增材制造原理,研制了连续纤维增强复合材料增材制造装置,并进一步探索了连续纤维增强复合材料增材制造工艺,研究的具体内容包括以下几个方面:通过分析连续纤维与树脂的界面粘结理论,研究基于熔融沉积成型的连续纤维增强复合材料增材制造技术原理,研制出连续纤维增强复合材料增材制造装置,主要由运动平台、喷头、控制系统和计算机等硬件组成,能够实现树脂基连续纤维增强复合材料增材制造,为后续探索连续纤维增强复合材料增材制造工艺奠定基础。通过实验的方法,通过改变单一参数研究纤维增强复合材料增材制造工艺,主要包括控形和控性两个方面,控形是通过研究打印速度、温度、纤维预紧力等工艺参数对成型工件形貌质量的影响规律,从而控制成型工件的形貌质量;控性是通过研究打印速度、温度、层厚、喷头与工作台间距、打印轨迹等工艺参数对成型工件力学性能的影响规律,从而控制成型工件的力学性能,为复合材料的性能优化提供基础。开展光敏树脂对纤维增强复合材料改性研究,分析纤维与树脂界面粘结质量的影响因素和光敏树脂改性原理,研制出能够实现连续纤维与PCL树脂和光敏树脂三种材料复合的增材制造装置,探究光敏树脂对纤维和树脂界面粘结质量的改善效果,并进一步研究光敏树脂对力学性能的改善效果。
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