本發(fā)明涉及智能建造與建筑施工，具體而言，涉及一種3d打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的工藝。

背景技術(shù)：

1、連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（frp）憑借其高比強(qiáng)度、輕量化及耐腐蝕特性，在航空航天、汽車制造等高端領(lǐng)域已形成規(guī)?；瘧?yīng)用。相較于傳統(tǒng)短纖維3d打印技術(shù)因纖維隨機(jī)分布導(dǎo)致的力學(xué)性能離散性問題長期制約其工程應(yīng)用——短纖維材料抗拉強(qiáng)度普遍低于150mpa，且界面粘結(jié)效率不足60%，因此短纖維材料難以滿足建筑結(jié)構(gòu)對承載性能的嚴(yán)苛要求。這一技術(shù)瓶頸直接限制了纖維復(fù)合材料在智能建造領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。而現(xiàn)有的3d打印技術(shù)在處理frp材料時，往往無法有效控制纖維的排列和張力，導(dǎo)致打印件的力學(xué)性能不穩(wěn)定。此外，傳統(tǒng)的熱熔沉積式3d打印機(jī)在打印frp材料時，容易因熱熔裝置的存在而導(dǎo)致纖維損傷，影響最終構(gòu)件的質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中短纖維隨機(jī)分布導(dǎo)致力學(xué)性能離散性高、熱熔工藝對纖維損傷嚴(yán)重以及傳統(tǒng)連續(xù)纖維工藝復(fù)雜成本高昂的問題，提出了一種3d打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的工藝。通過動態(tài)參數(shù)優(yōu)化的frp專用3d打印裝備重構(gòu)方法及建筑力學(xué)性能導(dǎo)向的frp增強(qiáng)結(jié)構(gòu)體原位成型工藝，實(shí)現(xiàn)了高性能復(fù)合化建造的技術(shù)突破。

2、本發(fā)明采用了如下方案：

3、一種3d打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的工藝，包括如下步驟：

4、s1、打印機(jī)組裝步驟：

5、（1）定位系統(tǒng)構(gòu)建：基于預(yù)制模型三維坐標(biāo)，在工程級亞克力定位模板上生成標(biāo)準(zhǔn)定位孔組，安裝伸縮定位柱；

6、（2）非粘性界面處理：使用聚乙烯薄膜對打印平臺及伸縮定位柱實(shí)施全覆蓋包裹，采用真空吸附工藝消除膜層褶皺，形成連續(xù)隔離界面；

7、（3）運(yùn)動參數(shù)優(yōu)化：基于打印模型構(gòu)圖，在專用切片軟件中重構(gòu)自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法，設(shè)置打印速度梯度為15mm/s-30mm/s，路徑曲率半徑≥8mm，確保纖維張力穩(wěn)定在5n-8n區(qū)間；

8、（4）低溫?cái)D出系統(tǒng)改造：拆除傳統(tǒng)3d打印頭的熱熔模塊，集成雙軸同步驅(qū)動系統(tǒng)，安裝高精度針形導(dǎo)嘴機(jī)構(gòu)，利用雙軸同步驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動導(dǎo)嘴機(jī)構(gòu)在打印平臺上方運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)纖維束的恒張力定向輸送；

9、s2、打印安裝步驟：

10、（5）纖維沉積成型：將frp絲材導(dǎo)入閉環(huán)控制送料系統(tǒng)，通過導(dǎo)嘴在伸縮定位柱引導(dǎo)下進(jìn)行空間編織，層間交錯角度控制為45±5°，以編織成抗彎/抗剪frp組件；

11、（6）真空輔助浸漬：將打印好的抗彎/抗剪frp組件連同打印平臺取下，采用低粘度環(huán)氧樹脂實(shí)施若干次“浸潤-瀝干”循環(huán)，而后常溫下自然放置24小時-48小時固化；

12、（7）精密脫模：逆序拆卸伸縮定位柱，采用柔性頂出機(jī)構(gòu)分離構(gòu)件與薄膜界面；

13、（8）模塊化裝配：抗彎/抗剪frp組件按照所需構(gòu)造通過預(yù)應(yīng)力張拉工藝裝配；

14、（9）復(fù)合結(jié)構(gòu)成型：在裝配好的3d?frp內(nèi)澆注混凝土一體式成型，并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

15、進(jìn)一步地，步驟（1）中，伸縮定位柱采用單通定位伸縮柱在各個定位點(diǎn)處使用螺絲進(jìn)行安裝，下部螺紋孔應(yīng)預(yù)留2mm螺絲帽埋置深度。

16、進(jìn)一步地，在步驟（6）中，采用25℃粘度1200±200cps的低粘度環(huán)氧樹脂實(shí)施三次“浸潤-瀝干”循環(huán)，每次浸潤壓力0.3mpa，瀝干角度15°。

17、進(jìn)一步地，步驟（8）中，預(yù)應(yīng)力張拉工藝的預(yù)緊力為極限荷載的30%，裝配后在25℃/60%rh環(huán)境中進(jìn)行72小時界面固化。

18、進(jìn)一步地，所述雙軸同步驅(qū)動系統(tǒng)包括安裝框架以及活動設(shè)置在所述安裝框架上的橫梁，所述橫梁一端設(shè)置有第一傳動齒輪、第二傳動齒輪，另一端相對設(shè)置有第三傳動齒輪、第四傳動齒輪，所述安裝框架上設(shè)置有第一固定齒輪、第二固定齒輪、第三固定齒輪與第四固定齒輪，其中所述第一固定齒輪與第二固定齒輪上分別設(shè)置有一伺服電機(jī)；每個固定齒輪與傳動齒輪上均設(shè)置有上下雙層皮帶槽；還包括第一傳動帶與第二傳動帶，所述第一傳動帶繞設(shè)在所述第一固定齒輪、第二固定齒輪、第三固定齒輪、第四固定齒輪以及第二傳動齒輪與第四傳動齒輪的上層皮帶槽內(nèi)，且兩端連接所述導(dǎo)嘴機(jī)構(gòu)；所述第二傳動帶繞設(shè)在所述第一固定齒輪、第二固定齒輪、第三固定齒輪、第四固定齒輪以及第一傳動齒輪與第三傳動齒輪的下層皮帶槽內(nèi)，且兩端連接所述導(dǎo)嘴機(jī)構(gòu)；通過協(xié)調(diào)控制兩個所述伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)動速度以驅(qū)動所述橫梁沿所述安裝框架前后移動，并能驅(qū)動所述導(dǎo)嘴機(jī)構(gòu)沿所述橫梁左右移動。

19、進(jìn)一步地，所述打印平臺上設(shè)置有升降機(jī)構(gòu)，所述升降機(jī)構(gòu)適于驅(qū)動所述打印平臺在所述安裝框架內(nèi)升降。

20、進(jìn)一步地，所述導(dǎo)嘴機(jī)構(gòu)包括定位機(jī)殼、安裝在定位機(jī)殼上的轉(zhuǎn)動電機(jī)、與轉(zhuǎn)動電機(jī)連接的主軸、連接在主軸上的螺桿；所述定位機(jī)殼上還安裝有料卷以及針形導(dǎo)嘴；所述料卷適于向所述螺桿供給連續(xù)纖維長條；所述轉(zhuǎn)動電機(jī)通過主軸驅(qū)動螺桿轉(zhuǎn)動，以使連續(xù)纖維長條沿著所述螺桿的螺槽向下輸出至所述針形導(dǎo)嘴。

21、進(jìn)一步地，所述料卷下方設(shè)置有第一定位支架以引導(dǎo)連續(xù)纖維長條向著所述螺桿輸出；所述針形導(dǎo)嘴與所述主軸平行設(shè)置。

22、有益效果：

23、本方案通過設(shè)計(jì)精控引擎實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維3d編制成型，開發(fā)出自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法以優(yōu)化纖維排布方向，集成動態(tài)擠出控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)纖維摻量與打印速度梯度的精準(zhǔn)協(xié)同調(diào)控，并在打印平臺部署可編程伸縮定位柱陣列，確保長纖維±0.1mm級空間定位精度，從而構(gòu)建出適配建筑結(jié)構(gòu)功能需求的智能打印體系。通過連續(xù)纖維螺旋纏繞、多向交錯編織及變截面波紋成型等特色工藝，分別制備具有梯度模量的預(yù)應(yīng)力抗拉單元、三維互鎖界面的機(jī)械錨固單元以及剪應(yīng)力優(yōu)化傳遞的剪力鍵單元，形成模塊化frp功能組件體系。采用真空輔助環(huán)氧樹脂浸漬與智能裝配的二階段復(fù)合工藝，將frp功能系統(tǒng)與混凝土基體進(jìn)行協(xié)同固化，最終形成兼具抗拉、抗剪及高界面粘結(jié)強(qiáng)度的復(fù)合結(jié)構(gòu)。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)短纖維材料力學(xué)性能分散、強(qiáng)度不足的問題，解決了熱熔工藝對纖維的損傷難題，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)纖維的高完整性打印，3d結(jié)構(gòu)下更是使其抗拉強(qiáng)度突破1000mpa（較傳統(tǒng)短纖維材料提升6-8倍）。

技術(shù)特征：

1.一種3d打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的工藝，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3d打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的工藝，其特征在于，步驟（1）中，伸縮定位柱采用單通定位伸縮柱在各個定位點(diǎn)處使用螺絲進(jìn)行安裝，下部螺紋孔應(yīng)預(yù)留2mm螺絲帽埋置深度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3d打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的工藝，其特征在于，在步驟（6）中，采用25℃粘度1200±200cps的低粘度環(huán)氧樹脂實(shí)施三次“浸潤-瀝干”循環(huán)，每次浸潤壓力0.3mpa，瀝干角度15°。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3d打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的工藝，其特征在于，步驟（8）中，預(yù)應(yīng)力張拉工藝的預(yù)緊力為極限荷載的30%，裝配后在25℃/60%rh環(huán)境中進(jìn)行72小時界面固化。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3d打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的工藝，其特征在于，所述雙軸同步驅(qū)動系統(tǒng)包括安裝框架以及活動設(shè)置在所述安裝框架上的橫梁，所述橫梁一端設(shè)置有第一傳動齒輪、第二傳動齒輪，另一端相對設(shè)置有第三傳動齒輪、第四傳動齒輪，所述安裝框架上設(shè)置有第一固定齒輪、第二固定齒輪、第三固定齒輪與第四固定齒輪，其中所述第一固定齒輪與第二固定齒輪上分別設(shè)置有一伺服電機(jī)；每個固定齒輪與傳動齒輪上均設(shè)置有上下雙層皮帶槽；還包括第一傳動帶與第二傳動帶，所述第一傳動帶繞設(shè)在所述第一固定齒輪、第二固定齒輪、第三固定齒輪、第四固定齒輪以及第二傳動齒輪與第四傳動齒輪的上層皮帶槽內(nèi)，且兩端連接所述導(dǎo)嘴機(jī)構(gòu)；所述第二傳動帶繞設(shè)在所述第一固定齒輪、第二固定齒輪、第三固定齒輪、第四固定齒輪以及第一傳動齒輪與第三傳動齒輪的下層皮帶槽內(nèi)，且兩端連接所述導(dǎo)嘴機(jī)構(gòu)；通過協(xié)調(diào)控制兩個所述伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)動速度以驅(qū)動所述橫梁沿所述安裝框架前后移動，并能驅(qū)動所述導(dǎo)嘴機(jī)構(gòu)沿所述橫梁左右移動。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的3d打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的工藝，其特征在于，所述打印平臺上設(shè)置有升降機(jī)構(gòu)，所述升降機(jī)構(gòu)適于驅(qū)動所述打印平臺在所述安裝框架內(nèi)升降。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3d打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的工藝，其特征在于，所述導(dǎo)嘴機(jī)構(gòu)包括定位機(jī)殼、安裝在定位機(jī)殼上的轉(zhuǎn)動電機(jī)、與轉(zhuǎn)動電機(jī)連接的主軸、連接在主軸上的螺桿；所述定位機(jī)殼上還安裝有料卷以及針形導(dǎo)嘴；所述料卷適于向所述螺桿供給連續(xù)纖維長條；所述轉(zhuǎn)動電機(jī)通過主軸驅(qū)動螺桿轉(zhuǎn)動，以使連續(xù)纖維長條沿著所述螺桿的螺槽向下輸出至所述針形導(dǎo)嘴。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的3d打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的工藝，其特征在于，所述料卷下方設(shè)置有第一定位支架以引導(dǎo)連續(xù)纖維長條向著所述螺桿輸出；所述針形導(dǎo)嘴與所述主軸平行設(shè)置。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的工藝，屬于智能建造與建筑施工技術(shù)領(lǐng)域。通過設(shè)計(jì)精控引擎實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維3D編制成型，開發(fā)出自適應(yīng)路徑規(guī)劃算法優(yōu)化纖維排布方向，并集成動態(tài)擠出控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)纖維摻量與打印速度梯度的精準(zhǔn)協(xié)同調(diào)控。在打印平臺部署可編程伸縮定位柱陣列，通過連續(xù)纖維螺旋纏繞、多向編織及變截面波紋成型等特色工藝，制備預(yù)應(yīng)力抗拉單元、三維互鎖錨固單元及剪力鍵單元，形成模塊化FRP功能組件體系。突破了傳統(tǒng)短纖維力學(xué)性能離散性問題，解決了現(xiàn)有熱熔工藝對纖維損傷難題，實(shí)現(xiàn)了抗拉強(qiáng)度突破1000MPa以上，較短纖維提升6?8倍。

技術(shù)研發(fā)人員：孫偉,郭青林
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華僑大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15