CN106476266B - 一种利用纤维材料对光固化零件进行层内复合的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用纤维材料对光固化零件进行层内复合的方法，该方法包括如下步骤：首先利用三维造型软件在计算机中生成零件的三维实体模型，用分层软件将其分成厚度为10～200μm的一系列薄层，得到每层形状；将每个薄层中所需的纤维分布和纤维种类输入计算机；进行倒立式光固化打印，抬升成型台，由纤维喷头按照该层所需的纤维分布位置和种类在光敏树脂上表面施加相应的纤维材料；进给成型台，将纤维材料压入光敏树脂层内部，进行光固化操作后，纤维材料被固定于对应层内；重复施加纤维，进给成型台，光固化的操作完成零件打印。该方法操作简单，可灵活调整施加纤维的位置和种类，实现纤维材料在光固化零件层内的复合。
Description
技术领域
本发明涉及増材制造领域，具体涉及一种利用纤维材料对光固化零件进行层内复合的方法。
背景技术
光固化3D打印技术是増材制造技术中成型精度最高的方法之一。光固化3D打印技术使用光敏树脂作为成型材料，在对应波长的光源照射下发生光固化反应，实现零件成型。该方法精度高，工艺灵活性强。但是光敏树脂成型零件的强度、韧性等机械性能较差，在受力过程中容易发生破坏。此外光敏树脂在光固化的过程中具有一定的收缩趋势，引发零件的变形，使得最终获得的零件尺寸的误差超标，不能充分体现光固化3D打印在成型精度上的优势。
目前主要从开发收缩小、固化速度快和强度高的光敏树脂上来提高光固化3D打印零件的精度。但是该方法技术难度高，开发周期长，优质光固化树脂价格昂贵，在一定程度上限制了该工艺的发展。此外在光敏树脂中添加金属粉末或陶瓷粉末等材料可实现金属或陶瓷的光固化成型，但是对光固化金属材料和光固化陶瓷材料的纤维复合强化仍然缺乏系统的研究和简便的工艺实施手段。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种利用纤维材料对光固化零件进行层内复合的方法，使其不仅解决光固化3D打印中容易出现的尺寸收缩问题，显著提高各类光固化零件的强度和韧性，且具有设备简单，工艺灵活度高。
为达到以上技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用纤维材料对光固化零件进行层内复合的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
一种利用纤维材料对光固化零件进行层内复合的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
1)用三维造型软件在计算机中生成零件的三维实体模型，将数据转化为STL文件，用分层软件将其切片分层，得到每层形状；
2)将每层中所需的纤维分布位置和纤维种类输入计算机；
3)进行倒立式光固化打印，抬升成型台，在透明料盒中加入一层液态光敏树脂，或加入添加有金属粉末、陶瓷粉末或着色剂的光敏树脂浆料；
4)用计算机控制纤维喷头在光敏树脂表面按照设计的纤维分布和种类施加纤维材料；
5)向下进给成型台，使零件的半成品的最下端与透明料盒底面具有15-200μm的间距，该进给运动把处于光敏树脂表面的纤维向下压入光敏树脂内部；
6)开启光固化光源，进行光固化成型，同时纤维材料被固定于零件内部，实现纤维材料在光固化零件单层内的复合；
7)重复3)、4)、5)和6)的操作，逐层形成层内具有纤维复合的光固化零件。
上述技术方案中，优选地，步骤1)中所述分层厚度取10～200μm。
优选地，步骤2)中所述的纤维材料的纤维直径小于分层厚度，纤维材料的种类为高分子纤维、玻璃纤维、金属纤维、碳纤维或陶瓷纤维。
优选地，步骤3中加入到透明料盒的液态光敏树脂或添加有金属粉末、陶瓷粉末或着色剂的光敏树脂浆料的量在透明料盒内的深度为分层厚度的2.5-10倍，对于不能自流平的浆料采用平板刮刀刮平。
优选地，步骤4)中所述的纤维喷头采用单个喷头或多个喷头，喷头种类采用直接送丝喷头。
优选地，步骤6)中所述的光固化光源采用投影式光源或光束扫描光源。
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：①施加的纤维种类、直径和截面形状等均可灵活调整，工艺适应性强；②可以布置多个纤维喷头，在不同位置施加不同数量、不同分布和不同种类的纤维，准确控制不同区域的增强效果，提高送丝效率；③可利用成型台抬起的时间进行纤维施加的操作，不显著增加生产周期；④设备简单，不明显增加设备购置和维护成本。
附图说明
图1是本发明全过程流程示意图。
图2是本发明在光敏树脂表面施加纤维的示意图。
图3是本发明成型台将光敏树脂表面的纤维下压入液体内部进行光固化的示意图。
图4是本发明纤维复合光固化零件垂直于分层方向的剖面示意图。
图5是本发明纤维复合光固化零件平行于分层方向的剖面示意图。
其中：1-透明料盒；2-光敏树脂；3-零件；4-成型台；5-纤维喷头；6-纤维材料；7-主体型腔；8-光固化光源。
具体实施方式
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
本发明提供的一种利用纤维材料对光固化零件进行层内复合的方法，该方法具体包括如下步骤：
图1为本发明全过程流程示意图，首先用三维造型软件在计算机中生成零件3的三维实体模型，三维造型软件可选择Pro/E，Solidworks或者UG，并将数据转化为STL文件；用分层软件将其分层，分层厚度可取10～200μm，得到每层形状，将每层中所需的纤维分布和纤维种类输入计算机。
如图2所示，在透光料盒中加入少量光敏树脂，加入光敏树脂的深度为零件分层厚度的2.5～10倍，该厚度既可以完全成型该层零件，也可以避免成型台下压纤维距离过远而导致纤维位置的变化。光敏树脂中可以添加金属粉末、陶瓷粉末或显色剂形成相应的光敏树脂浆料，根据浆料的流变特性调整加入浆料的深度。随后进行倒立式光固化打印，抬升成型台4，在成型台抬升起来的时间，控制纤维喷头5在光敏树脂表面按照设计好的纤维分布和纤维种类施加纤维材料6，可采用多个纤维喷头提高施加纤维的效率，同时方便地施加不同材料种类的纤维。
如图3所示，在施加纤维的操作完成后，纤维喷头退出成型空间，成型台向下进给，每次进给都使零件3的最下方和透明料盒的底面之间具有某一个固定的间距，该间距一般取15～200μm。成型台的向下进给将把受到表面张力和浮力作用下处于光敏树脂表面的纤维材料压入光面树脂内部。此时开启光固化光源7，光固化光源可采用投影式光源或者光束扫描光源；光敏树脂在光照的作用下发生固化，同时纤维材料被固化于树脂内部，实现了纤维材料在光固化零件每一层内的复合，固化完成后抬升成型台。不断重复上述施加纤维材料，向下进给成型台，压入纤维材料，激发光源照射固化光敏树脂，抬升成型台的操作，直至完成整个光固化零件的生产。
如图4所示，最后成型的光固化零件每一层内部均按照设计的纤维分布位置和纤维种类施加进入了纤维材料，实现了材料的复合。如图5所示，在每一层内部，纤维分布和种类的灵活性极高，设计的自由度很高。
Claims (3)
1.一种利用纤维材料对光固化零件进行层内复合的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
1)用三维造型软件在计算机中生成零件(3)的三维实体模型，将数据转化为STL文件，用分层软件将其切片分层，得到每层形状；所述分层厚度取10-200μm；
2)将每层中所需的纤维分布位置和纤维种类输入计算机；所述的纤维材料的纤维直径小于分层厚度，纤维材料的种类为高分子纤维、玻璃纤维、金属纤维、碳纤维或陶瓷纤维；
3)进行倒立式光固化打印，抬升成型台(4)，在透明料盒(1)中加入一层液态光敏树脂(2)，或加入添加有金属粉末、陶瓷粉末或着色剂的光敏树脂浆料；在透明料盒中加入的液态光敏树脂或光敏树脂浆料的量在透明料盒内的深度为分层厚度的2.5-10倍，对于不能自流平的浆料采用平板刮刀刮平；
4)用计算机控制纤维喷头(5)在光敏树脂表面按照设计的纤维分布和种类施加纤维材料(6)；
5)向下进给成型台(4)，使零件(3)的半成品的最下端与透明料盒底面具有15-200μm的间距，该进给运动把处于光敏树脂表面的纤维向下压入光敏树脂内部；
6)开启光固化光源(7)，进行光固化成型，同时纤维材料被固定于零件内部，实现纤维材料在光固化零件单层内的复合；
7)重复3)、4)、5)和6)的操作，逐层形成层内具有纤维复合的光固化零件。
2.按照权利要求1所述的一种利用纤维材料对光固化零件进行层内复合的方法，其特征在于：步骤4)中所述的纤维喷头采用单个喷头或多个喷头，喷头种类采用直接送丝喷头。
3.按照权利要求1所述的一种利用纤维材料对光固化零件进行层内复合的方法，其特征在于：步骤6)中所述的光固化光源采用投影式光源或光束扫描光源。
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