纖維增強複合材料增強3d列印結構的製作方法
2023-07-28 16:05:36 1
纖維增強複合材料增強3d列印結構的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種纖維增強複合材料增強3D列印結構，屬於土木工程增強【技術領域】。其中，本發明提出的纖維增強複合材料增強3D列印梁，包括：3D列印梁；FRP梁外覆層，FPR梁外覆層位於3D列印梁的外表面，FPR梁外覆層包括：FRP梁底板、FRP梁側板以及FRP梁箍中的一種或多種的組合。另外，本發明提出的纖維增強複合材料增強3D列印柱，包括：3D列印柱；FRP柱外覆層，FRP柱外覆層位於3D列印柱的外表面，FRP柱外覆層為環向封閉。本發明的纖維增強複合材料增強3D列印結構的承載能力和延性提升顯著，靈活合理、高效經濟，不影響原結構美觀及使用功能，且可與其他增強技術結合使用。
【專利說明】纖維增強複合材料增強3D列印結構
【技術領域】
[0001]本發明屬於土木工程【技術領域】和新材料成型結構【技術領域】，具體涉及一種纖維增強複合材料增強3D列印結構。
【背景技術】
[0002]3D列印是近年來迅猛發展的一種快速成型技術，其應用範圍包括航空航天、製造業、生物醫學、食品、服飾、藝術創作、建築模型等領域。隨著既有3D列印技術的改進和新型3D列印技術的研發，大型3D列印設備接連問世，促使大尺寸製品的列印成為可能，並帶來列印成本的迅速降低。因此，3D列印建築物應運而生。美國南加州大學的Khoshnevis教授研究能夠列印混凝土房屋的印表機，該印表機噴出膠體狀混凝土實現層狀列印。英國拉夫堡大學Buswell等人開展3D Concrete Printing項目研究，同樣利用擠出工藝進行混凝土建築物列印。義大利發明家Dini發明了大型3D印表機D-shape，利用粉末粘結技術列印非線性建築。中國馬義和等人利用改性水泥擠出技術在上海建造了一批3D列印建築物。但3D列印建築物至今仍處於展示階段，其各向異性的結構特性成為限制其安全使用的關鍵因素。
[0003]3D列印技術以數位化三維模型為基礎，通過逐層列印、分層疊加的方式構造三維實體。根據具體列印方式不同分為擠出堆積成型、三維粉末粘結成型(3DP)、選擇性雷射燒結(SLS)、熔融沉積成型(FDM)、立體光固化成型(SLA)等。但所有列印方式均是基於分層列印、堆疊成型的原理。因此3D列印製品均具有明顯的分層紋路，其層間強度相比於層內強度降低較多，具有顯著的各向異性特性。因此如何增強3D列印結構的強度，從而提高整體建築物的安全性成為當務之急。
[0004]目前3D列印製品的常用增強技術包括浸蠟、浸膠等手段。這些技術能夠在一定程度上增強3D列印製品的強度，滿足其運輸及日常使用過程中不破損的基本要求，但對於建築結構構件等承力構件的強度要求尚不能滿足。因此必須開發更加有效的增強技術和方法。
[0005]纖維增強複合材料(Fiber Reinforced Polymer,即FRP)是由玻璃纖維或碳纖維等高性能纖維與樹脂基體混合經過一定的加工工藝複合而成的非金屬材料。它具有輕質、高強、施工成型方便、耐腐蝕等顯著優點。本發明提出一種採用纖維增強複合材料進行3D列印結構增強的新技術，即在3D列印結構外部採用FRP整體包裹或局部粘貼等手段，從而有選擇地、高效地、經濟地增強3D列印結構。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於提供一種工藝簡單、施工快捷、多功能增強、效果顯著的一種纖維增強複合材料增強3D列印結構。
[0007]根據本發明第一方面實施例的纖維增強複合材料增強3D列印結構，該纖維增強複合材料增強3D列印結構為纖維增強複合材料增強3D列印梁，包括:3D列印梁；FRP梁外覆層，所述FPR梁外覆層位於所述3D列印梁的外表面，所述FPR梁外覆層包括:FRP梁底板、FRP梁側板以及FRP梁箍中的一種或多種的組合。
[0008]另外，根據本發明上述實施例的纖維增強複合材料增強3D列印結構，還可以具有如下附加的技術特徵:
[0009]在本發明的一個實施例中，所述3D列印梁通過基於分層列印、堆疊成型的3D列印技術列印而成，所述3D列印技術為擠出堆積成型技術、三維粉末粘結成型技術、選擇性雷射燒結技術、熔融沉積成型技術、數字光處理成型技術或立體光固化成型技術。
[0010]在本發明的一個實施例中，所述3D列印梁的橫截面為任意橫截面。
[0011]在本發明的一個實施例中，所述FRP梁箍包括不封閉U形箍或者封閉環形箍。
[0012]在本發明的一個實施例中，所述FRP梁外覆層通過手糊、噴射、板材粘貼或真空灌注方式形成在所述3D列印梁的外表面。
[0013]根據本發明第二方面實施例的纖維增強複合材料增強3D列印結構，該纖維增強複合材料增強3D列印結構為纖維增強複合材料增強3D列印柱，包括:3D列印柱；FRP柱外覆層，所述FRP柱外覆層位於所述3D列印柱的外表面，所述FRP柱外覆層為環向封閉。
[0014]另外，根據本發明上述實施例的纖維增強複合材料增強3D列印結構，還可以具有如下附加的技術特徵:
[0015]在本發明的一個實施例中，所述3D列印柱通過基於分層列印、堆疊成型的3D列印技術列印而成，所述3D列印技術為擠出堆積成型技術、三維粉末粘結成型技術、選擇性雷射燒結技術、熔融沉積成型技術、數字光處理成型技術或立體光固化成型技術。
[0016]在本發明的一個實施例中，所述3D列印柱的橫截面為任意橫截面。
[0017]在本發明的一個實施例中，所述FRP柱外覆層為柱全長環向包裹或者局部環向包裹。
[0018]在本發明的一個實施例中，所述FRP柱外覆層通過手糊、噴射、板材粘貼或真空灌注方式形成在所述3D列印柱的外表面。
[0019]根據本發明實施例的纖維增強複合材料增強3D列印結構，構造合理，便於使用，具體優點如下:
[0020](I)FRP增強層厚度薄、重量輕，不影響原結構美觀及使用功能；
[0021](2)FRP增強層提高內部3D列印結構的耐久性；
[0022](3)增強後構件的承載能力和延性大幅度提升；
[0023](4)增強方式靈活，適用於各種截面形式；
[0024](5)採用傳統方式施工，經驗豐富，施工方便；
[0025](6)可與其他增強技術，如嵌入、預應力等增強技術結合使用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明實施例的纖維增強複合材料增強3D列印梁的示意圖。
[0027]圖2是本發明實施例的纖維增強複合材料增強3D列印柱的示意圖。
【具體實施方式】
[0028]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0029]由於3D列印具有分層列印、堆疊成型的特徵，因此3D列印結構具有明顯的各向異性和較低的層間強度。而建築物全壽命周期中受力狀況複雜，薄弱的層間粘結極有可能成為整棟建築物破壞甚至倒塌的源頭，因此有必要增強3D列印結構的承載能力，提高安全儲備。纖維增強複合材料增強3D列印結構技術僅使用少量FRP材料作為結構構件的外覆層，發揮其輕質高強、增強方式靈活的特點，提高3D列印梁的抗彎及抗剪承載能力和3D列印柱的約束承載力，以改善3D列印結構層間強度較低、各向異性明顯的結構特性，提高3D列印建築物的安全儲備，從而實現增強的目的。
[0030]本發明針對結構特性複雜、層間強度較低的3D列印建築物提出了纖維增強複合材料增強3D列印結構技術。
[0031]本發明第一方面提出了一種纖維增強複合材料增強3D列印梁，如圖1所示，包括:3D列印梁11和位於3D列印梁11的外表面的FRP梁外覆層。FPR梁外覆層可以包括:FRP梁底板12、FRP梁側板13以及FRP梁箍14中的一種或多種的組合。3D列印梁11的橫截面可以為任意橫截面。FRP梁箍14包括不封閉U形箍或者封閉環形箍。
[0032]其中，3D列印梁11可以通過基於分層列印、堆疊成型的3D列印技術列印而成。3D列印技術具體可以為擠出堆積成型技術、三維粉末粘結成型技術、選擇性雷射燒結技術、熔融沉積成型技術、數字光處理成型技術或立體光固化成型技術。3D列印梁11被列印出來，經過打磨等表面處理後，根據其截面形式，選擇合適的增強方法如手糊、噴射、板材粘貼或真空灌注等,產生FRP梁外覆層。
[0033]需要說明的是，FRP梁底板12主要提供3D列印梁11的抗彎承載能力，FRP梁側板13主要提供3D列印梁11的抗剪承載能力，FRP梁箍14同時提供3D列印梁11的抗剪承載能力和提高FRP梁底板12、FRP梁側板13的粘接錨固能力。FRP外覆層可以依據實際受力狀況單獨採用FRP梁底板12、FRP梁側板13、FRP梁箍14或組合使用，提高內部3D列印梁11的承載能力和延性。
[0034]根據本發明第二方面實提出一種纖維增強複合材料增強3D列印柱，如圖2所示，包括:3D列印柱21和位於3D列印柱21的外表面FRP柱外覆層22。3D列印柱21的橫截面可以為任意橫截面。FRP柱外覆層22為環向封閉以提供對內部3D列印柱21的約束力，從而提高其承載能力和延性。同時FRP柱外覆層22可以根據實際受力狀況選擇局部環向約束或者全柱長環向約束方式，實現合理、高效、經濟的目的。
[0035]其中，3D列印柱21可以通過基於分層列印、堆疊成型的3D列印技術列印而成。3D列印技術具體可以為擠出堆積成型技術、三維粉末粘結成型技術、選擇性雷射燒結技術、熔融沉積成型技術、數字光處理成型技術或立體光固化成型技術。3D列印柱21被列印出來，經過打磨等表面處理後，根據其截面形式，選擇合適的增強方法如手糊、噴射、板材粘貼或真空灌注等，產生FRP柱外覆層22。
[0036]需要說明的是，本發明提到的FRP的材料種類有玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維、混雜纖維等。在實際應用中，FRP外覆層將主要利用價格低廉的GFRP(玻璃纖維增強複合材料)，當受力要求很高時可採用少量性能優越但價格較高的CFRP (碳纖維增強複合材料)。增強方式的選擇需根據內部3D列印梁、柱的材料類型和列印方式而定，避免削弱內部結構原有特性，如針對石膏材質的列印結構，可縮短溼加工的持續時間，以減少內部石骨的水化。
[0037]本發明通過增加纖維增強複合材料，大幅提高了被增強結構的承載能力和延性。 申請人:已通過試驗驗證了其有效性，對纖維增強複合材料增強3D列印梁進行四點彎試驗和對纖維增強複合材料增強3D列印圓柱進行軸壓試驗，結果表明:纖維增強複合材料增強3D列印梁的抗彎承載力提高179.6%?538.8%，跨中撓度變形提高40.8%?225.8% ;纖維增強複合材料增強3D列印圓柱的峰值荷載提高1427.2%?1792.0%，極限變形能力提高 833.9%~ 1171.3%o
[0038]在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「長度」、「寬度」、「厚度」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」 「內」、「外」、「順時針」、「逆時針」、「軸向」、「徑向」、「周向」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
[0039]在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進行結合和組合。
[0040]儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【權利要求】
1.一種纖維增強複合材料增強3D列印結構，其特徵在於，所述纖維增強複合材料增強3D列印結構為纖維增強複合材料增強3D列印梁，包括: 3D列印梁； FRP梁外覆層，所述FPR梁外覆層位於所述3D列印梁的外表面，所述FPR梁外覆層包括:FRP梁底板、FRP梁側板以及FRP梁箍中的一種或多種的組合。
2.如權利要求1所述的纖維增強複合材料增強3D列印結構，其特徵在於，所述3D列印梁通過基於分層列印、堆疊成型的3D列印技術列印而成，所述3D列印技術為擠出堆積成型技術、三維粉末粘結成型技術、選擇性雷射燒結技術、熔融沉積成型技術、數字光處理成型技術或立體光固化成型技術。
3.如權利要求1所述的纖維增強複合材料增強3D列印結構，其特徵在於，所述3D列印梁的橫截面為任意橫截面。
4.如權利要求1所述的纖維增強複合材料增強3D列印結構，其特徵在於，所述FRP梁箍包括不封閉U形箍或者封閉環形箍。
5.如權利要求1所述的纖維增強複合材料增強3D列印結構，其特徵在於，所述FRP梁外覆層通過手糊、噴射、板材粘貼或真空灌注方式形成在所述3D列印梁的外表面。
6.一種纖維增強複合材料增強3D列印結構，其特徵在於，所述纖維增強複合材料增強3D列印結構為纖維增強複合材料增強3D列印柱，包括: 3D列印柱； FRP柱外覆層，所述FRP柱外覆層位於所述3D列印柱的外表面，所述FRP柱外覆層為環向封閉。
7.如權利要求6所述的纖維增強複合材料增強3D列印結構，其特徵在於，所述3D列印柱通過基於分層列印、堆疊成型的3D列印技術列印而成，所述3D列印技術為擠出堆積成型技術、三維粉末粘結成型技術、選擇性雷射燒結技術、熔融沉積成型技術、數字光處理成型技術或立體光固化成型技術。
8.如權利要求6所述的纖維增強複合材料增強3D列印結構，其特徵在於，所述3D列印柱的橫截面為任意橫截面。
9.如權利要求6所述的纖維增強複合材料增強3D列印結構，其特徵在於，所述FRP柱外覆層為柱全長環向包裹或者局部環向包裹。
10.如權利要求6所述的纖維增強複合材料增強3D列印結構，其特徵在於，所述FRP柱外覆層通過手糊、噴射、板材粘貼或真空灌注方式形成在所述3D列印柱的外表面。
【文檔編號】B29C67/00GK104309126SQ201410562068
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月21日 優先權日:2014年10月21日
【發明者】馮鵬, 孟鑫淼 申請人:清華大學