一种基于3d打印复合材料的多层瓦楞结构板
技术领域
1.本实用新型涉及3d打印制备复合材料领域，具体涉及一种基于3d打印复合材料的多层瓦楞结构板。
背景技术：
2.瓦楞板又称波纹板，是由至少一层波浪形芯夹层和一层底板粘合而成，具有较好的弹性和延伸性；瓦楞板的瓦楞波纹相互并列成一排，相互支撑形成三角结构体，因此具有较好的机械强度，可以作为承力构件和缓冲构件，可以抵受搬运过程中的碰撞。波浪形芯夹层和底板的材料特性与瓦楞板的结构确定了瓦楞板的实际表现。瓦楞板材在组装时采用波浪形芯与底板相互搭接、粘合并且固定的方法，比较浪费，并且成本高、工序繁琐、耗时长，在连接处容易出现应力集中，导致出现连接强度不够的问题。并且现有的瓦楞板普遍存在承载强度不够；在满足强度要求的同时，无法达到大的变形量，使用场景单一；并且其他力学性能不够突出，无法满足在特殊场合的使用。
3.3d打印技术又称增材制造，是快速成型技术的一种。它是一种以数字模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，它可以实现一体化的快速成型。3d打印复合材料因其质轻、易于加工、过程可控和力学性能优异等优点，在瓦楞板的制造领域将会有广阔的应用前景。利用熔融挤出型(fdm)3d打印实现特殊结构的复合材料的制备，可以满足不同工作环境的要求，提高瓦楞板的耐腐蚀、耐高温、耐湿热、耐老化和耐久性能。现有的瓦楞板制造工艺的流程较为复杂、成本高、制备慢，无法满足快速制造的需求。
技术实现要素：
4.针对目前存在的上述问题，本实用新型提供了一种节约材料、连接效果好、承载能力强、制作成本低，具有高耐腐蚀、耐高温、耐湿热、耐老化和耐久性能的一种3d打印复合材料多层瓦楞结构。本瓦楞板的制备基于复合材料的fdm成型技术，以解决现有技术的诸多不足。
5.为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：
6.一种基于3d打印复合材料的多层瓦楞结构板，瓦楞结构板的复合材料为纤维增强聚合物基复合材料3d打印机耗材，纤维增强聚合物基复合材料3d打印机耗材配置用以提升所述3d打印结构的耐腐蚀、耐高温、耐湿热、耐老化和耐久性能，3d打印复合材料多层瓦楞板结构的增强纤维可以选择碳纤维、玻璃纤维等，纤维可以选择连续纤维或者短切纤维；3d打印结构的树脂基体可以选择为聚酰胺、聚乳酸、abs工程塑料等。
7.一种基于3d打印复合材料的多层瓦楞结构板，包括多层复合材料瓦楞结构板，所述多层复合材料瓦楞结构板包括上下两层依次设置的两个表面板，所述上层表面板的上表面为水平的，下表面中间厚、两边薄，呈现“凸”字型的结构，上层表面板与下层表面板水平相对设置；上层表面板与下层表面板之间夹有两层波浪板，且每层波浪板的厚度与大小沿
多层复合材料瓦楞结构板的长方向从两侧向中间依次递减；所述波浪板的厚度和大小与上、下两层表面板的“凸”字型结构相对应。
8.进一步地；所述波浪板的波浪间隔为10mm，波浪间隔为两个相邻的波峰或波谷之间的距离。
9.进一步地；两层波浪板之间通过平直连接板相隔。
10.进一步地；所述多层复合材料瓦楞结构板的中间部分由上、下两层表面板的凸起部分和两个凸起部分之间的n个椭圆结构组成，n个椭圆结构将两层波浪板与平直连接板组成的一个整体分隔成的两个组合体，n个椭圆结构位于两个组合体的中间位置，平直连接板与相邻的椭圆结构连接，n个椭圆结构沿多层复合材料瓦楞结构板的长方向串联在一起，n为大于等于3的自然数。
11.进一步地；相邻的上、下两层表面板之间接触面上的波浪纹相互平行、一一对应。
12.一种3d打印复合材料多层瓦楞结构板的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
13.(1)根据设计的结构利用三维建模软件准备stl格式的3d模型，设计多层复合材料瓦楞板结构的3d打印路径；
14.(2)准备复合材料3d打印耗材，使用3d打印机进行多层复合材料瓦楞板结构的打印；
15.(3)3d打印过程中观察样品以调整3d打印参数，提高打印质量修正打印参数，最终制得可控和力学性能优异的多层复合材料瓦楞板。
16.步骤(1)中，设计3d模型采用的三维建模软件为catia。
17.步骤(2)中，3d打印机为g300工业级fdm 3d打印机，打印机喷头直径为1mm；3d打印耗材采用的是纤维增强聚合物基复合材料3d打印耗材，此耗材直径为1.75mm。
18.步骤(3)中，所述3d打印参数为，打印平台温度50℃-100℃，打印喷头温度为200℃-280℃，预热温度为190℃-210℃，预热时间5min。
19.所述多层复合材料瓦楞结构板的打印层高为0.1mm-0.3mm，打印的填充率为100％，喷头移动速度为40mm/s-70mm/s。
20.通过上述技术方案，本实用新型的有益效果为：
21.1.本实用新型做成的瓦楞结构板采用尼龙碳纤维pa-cf复合材料代替传统的材料，具有较强的机械强度，可以满足不同工作环境的要求，进而提高瓦楞结构板的耐腐蚀、耐高温、耐湿热、耐老化和耐久性能等其他力学性能；
22.2.本实用新型做成的多层瓦楞结构板内部由椭圆结构和薄厚波浪板共同组成，可根据实际情况调节椭圆结构和薄厚波浪板的比例，使其在不同承载和变形量大小之间进行切换；
23.3.本实用新型做成的瓦楞结构板的制备方法采用fdm 3d打印成型，避免了传统粘结造成的应力集中导致的连接强度不够的问题；3d打印一体化快速成型，降低了成本，简化了工序，缩短了制造时间，可以满足快速制造的需求；本实用新型的多层复合材料瓦楞结构板的制备方法，利用fdm 3d打印技术，材料成型工艺简单、环保省材、制备流程短、成品质量高。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，对实施例或现有技术描述中所需要的附图作简单介绍。
25.图1为本实用新型实施例提供的多层复合材料瓦楞结构板示意图；
26.图2为本实用新型实施例提供的多层复合材料瓦楞结构板拆分安装示意图；
27.图3为本实用新型实施例提供的多层复合材料瓦楞结构板内部结构示意图；
28.图4为本实用新型实施例提供的多层复合材料瓦楞结构板3d打印路径示意图；
29.图5为本实用新型实施例1提供的多层复合材料瓦楞机构板的三点弯曲载荷-位移曲线。
30.文中数字所表示的相应部件名称：
31.1、多层复合材料瓦楞结构板；2、表面板；3、厚波浪板；4、薄波浪板；5、平直连接板；6、椭圆结构。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例，对本实用新型进行具体描述。
33.实施例1
34.参照附图1-4所示，本实用新型提供了一种基于3d打印复合材料的多层瓦楞结构板。此种新型多层复合材料瓦楞结构板1，多层复合材料瓦楞结构板1的长、宽、高分别为250mm、30mm和15mm，包括上下两层依次设置的两个表面板2，上层表面板2的上表面是水平的，下表面中间厚、两边薄，呈现“凸”字型的结构。
35.上层表面板2与下层表面板2水平相对设置，上、下两层表面板2之间通过不同厚度的两层波浪板连接，每层波浪板的厚度与大小沿多层复合材料瓦楞结构板1的长方向从两侧向中间依次递减，每层波浪板由厚波浪板3和薄波浪板4串联组成，薄波浪板4设置在厚波浪板3与椭圆结构6之间，两层波浪板之间通过平直连接板5相隔。
36.多层复合材料瓦楞结构板1的中间最厚，由上、下两层表面板2的凸起部分和两个凸起部分之间的n个椭圆结构组成，平直连接板5与相邻的椭圆结构6相连接。
37.相邻的上、下两层表面板2之间接触面上的波浪纹相互平行、一一对应；例如，上层表面板2下的波浪板是横向的，那么下层表面板2上的波浪板也是横向的，且两层波浪板之间通过平直连接板5紧密连接，一一对应；通过不同厚度的波浪板、平直连接板5和椭圆结构6的相互作用，可以保证连接处的受力均衡。
38.进一步设置时，多层复合材料瓦楞结构板1的中间最厚，由上、下两层表面板2和n个椭圆结构6组成，n为大于等于3的自然数，n的大小根据实际需求进行设置。
39.一种3d打印复合材料多层瓦楞结构板的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
40.(1)根据设计的结构利用三维建模软件catia准备stl格式的3d模型，将椭圆结构n设为4，设计多层复合材料瓦楞板结构的3d打印路径，输出gcode文件，打印路径如图3所示；
41.(2)准备复合材料3d打印耗材(3d打印耗材的直径为1.75mm)，在fdm工业级fdm 3d打印机上输入上述gcode文件进行多层复合材料瓦楞板结构的打印；
42.3d打印的参数为：打印喷头温度250℃、打印平台温度100℃、打印层高0.1mm、打印填充率100％、打印喷头直径1mm、喷头移动速度60mm/s；
43.(3)在3d打印机上放置碳纤维增强聚酰胺复合材料3d打印耗材，碳纤维为占比3d打印耗材35％的长丝碳纤维。在预热温度为200℃下预热机器5min，进行多层瓦楞结构板的制备，最终制得所述的多层复合材料瓦楞结构板。
44.将本实施例3d打印产品利用游标卡尺对长、宽、高的尺寸进行测量，每一方向测量3个点：长度在两端不同位置取三点测量，宽度和高度在梁的中点及距两端面10mm处测量。测量结果的平均偏差为0.45％。
45.利用电子天平称量参赛样品的质量m。以三点支撑方式对样品进行加载，直至破化或变形加载方向垂直于250
×
30平面，跨距200mm。记录试样的载荷-位移曲线以及最大载荷f。
46.参见附图5；
47.测得的各项力学参数为：最大弯曲力为1687.06n
48.断裂弯曲应力为62.89mpa
49.弯曲强度为75.23mpa
50.规定挠度弯曲应力0.06mpa
51.断裂弯曲应变为-0.2735mm
52.弯曲强度弯曲应变为-0.2721mm
53.弯曲弹性模量为5872.98mpa；
54.实施例2
55.复合材料多层瓦楞结构板的结构设计与实施例1相同，改变复合材料，将碳纤维更换为玻璃纤维，选择最佳的3d打印参数。
56.一种3d打印复合材料多层瓦楞结构板的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
57.(1)根据设计的结构利用三维建模软件catia准备stl格式的3d模型，将椭圆结构n设为4，设计多层复合材料瓦楞板结构的3d打印路径，输出gcode文件；
58.(2)准备复合材料3d打印耗材(3d打印耗材的直径为1.75mm)，在fdm工业级fdm 3d打印机上输入上述gcode文件进行多层复合材料瓦楞板结构的打印；
59.3d打印的参数为：打印喷头温度200℃、打印平台温度100℃、打印层高0.1mm、打印填充率100％、打印喷头直径1mm、喷头移动速度60mm/s；
60.(3)在3d打印机上放置玻璃纤维增强聚酰胺复合材料3d打印耗材，碳纤维为占比3d打印耗材35％的长丝碳纤维。在预热温度为200℃下预热机器5min，进行多层瓦楞结构板的制备，最终制得所述的多层复合材料瓦楞结构板。
61.实施例2相对于本实用新型例，将碳纤维更换为玻璃纤维，选择最佳打印参数后的3d打印件的强度有所下降，韧性相对提高。
62.实施例3
63.复合材料多层瓦楞结构板的结构设计与实施例1相同，改变复合材料，将聚酰胺改为abs工程塑料，选择最佳的3d打印参数。
64.一种3d打印复合材料多层瓦楞结构板的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
65.(1)根据设计的结构利用三维建模软件catia准备stl格式的3d模型，将椭圆结构n设为4，设计多层复合材料瓦楞板结构的3d打印路径，输出gcode文件；
66.(2)准备复合材料3d打印耗材(3d打印耗材的直径为1.75mm)，在fdm工业级fdm 3d
打印机上输入上述gcode文件进行多层复合材料瓦楞板结构的打印；
67.3d打印的参数为：打印喷头温度270℃、打印平台温度120℃、打印层高0.1mm、打印填充率100％、打印喷头直径1mm、喷头移动速度60mm/s；
68.(3)在3d打印机上放置碳纤维增强abs复合材料3d打印耗材，碳纤维为占比3d打印耗材35％的长丝碳纤维。在预热温度为200℃下预热机器5min，进行多层瓦楞结构板的制备，最终制得所述的多层复合材料瓦楞结构板。
69.实施例3相对于本实用新型例，将树脂基体由聚酰胺更换为abs工程塑料，选择最佳打印参数后的3d打印件的强度提高，且更具耐磨性。
70.实施例4
71.复合材料多层瓦楞结构板的结构设计与实施例1相同，改变复合材料，将聚酰胺改为聚乳酸，选择最佳的3d打印参数。
72.一种3d打印复合材料多层瓦楞结构板的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
73.(1)根据设计的结构利用三维建模软件catia准备stl格式的3d模型，将椭圆结构n设为4，设计多层复合材料瓦楞板结构的3d打印路径，输出gcode文件；
74.(2)准备复合材料3d打印耗材(3d打印耗材的直径为1.75mm)，在fdm工业级fdm 3d打印机上输入上述gcode文件进行多层复合材料瓦楞板结构的打印；
75.3d打印的参数为：打印喷头温度230℃、打印平台温度90℃、打印层高0.1mm、打印填充率100％、打印喷头直径1mm、喷头移动速度60mm/s；
76.(3)在3d打印机上放置碳纤维增强聚乳酸复合材料3d打印耗材，碳纤维为占比3d打印耗材35％的长丝碳纤维。在预热温度为200℃下预热机器5min，进行多层瓦楞结构板的制备，最终制得所述的多层复合材料瓦楞结构板。
77.实施例4相对于本实用新型例，将树脂基体由聚酰胺更换为聚乳酸，选择最佳打印参数后的3d打印件高韧性、高硬度。
78.实施例5
79.复合材料多层瓦楞结构板的中间椭圆结构数量n增加为6，其余都与实施例1相同。
80.一种3d打印复合材料多层瓦楞结构板的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
81.(1)根据设计的结构利用三维建模软件catia准备stl格式的3d模型，将椭圆结构n设为6，设计多层复合材料瓦楞板结构的3d打印路径，输出gcode文件；
82.(2)准备复合材料3d打印耗材(3d打印耗材的直径为1.75mm)，在fdm工业级fdm 3d打印机上输入上述gcode文件进行多层复合材料瓦楞板结构的打印；
83.3d打印的参数为：打印喷头温度250℃、打印平台温度100℃、打印层高0.1mm、打印填充率100％、打印喷头直径1mm、喷头移动速度60mm/s；
84.(3)在3d打印机上放置碳纤维增强聚酰胺复合材料3d打印耗材，碳纤维为占比3d打印耗材35％的长丝碳纤维。在预热温度为200℃下预热机器5min，进行多层瓦楞结构板的制备，最终制得所述的多层复合材料瓦楞结构板。
85.实施例6
86.复合材料多层瓦楞结构板的中间椭圆结构数量n减少为2，其余都与实施例1相同。
87.一种3d打印复合材料多层瓦楞结构板的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
88.(1)根据设计的结构利用三维建模软件catia准备stl格式的3d模型，将椭圆结构n
设为2，设计多层复合材料瓦楞板结构的3d打印路径，输出gcode文件；
89.(2)准备复合材料3d打印耗材(3d打印耗材的直径为1.75mm)，在fdm工业级fdm 3d打印机上输入上述gcode文件进行多层复合材料瓦楞板结构的打印；
90.3d打印的参数为：打印喷头温度250℃、打印平台温度100℃、打印层高0.1mm、打印填充率100％、打印喷头直径1mm、喷头移动速度60mm/s；
91.(3)在3d打印机上放置碳纤维增强聚酰胺复合材料3d打印耗材，碳纤维为占比3d打印耗材35％的长丝碳纤维。在预热温度为200℃下预热机器5min，进行多层瓦楞结构板的制备，最终制得所述的多层复合材料瓦楞结构板。
92.实施例6相对于本实用新型例，将瓦楞板的椭圆结构减少为2，选择最佳打印参数后的3d打印件的强度减少，变形量增加；结合实施例5，说明该种多层复合材料瓦楞结构板在材料相同的条件下椭圆结构越多，强度越高，承载能力越强，变形量越小。
93.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。