CN106671411A - 一种能够将短切纤维和热塑性树脂复合的快速成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够将短切纤维和热塑性树脂基材料复合的快速成型方法，包括如下步骤：首先利用3DMAX软件设计出所需要成品模型，其次将所设计的模型以STL格式拷入3D打印机中，然后运用CuraEngine软件，将成品模型分层处理；将三维立体成品模型导入到CuraEngine软件中，使用软件中的切片分层功能，这时实体模型经过面型化的处理后，模型的表面即近似为有限个空间三角面片的集合。本发明充分利用3D打印机快速成型的特点，利用3D打印机打印的复合材料，具有形式多样，生产成本低，生产周期短优点，同时又保持了复合材料优良性能，在机械加工、领域有良好的发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及及一种复合材料的快速成型方法，尤其是涉及短切纤维与热塑性树脂基结合的复合材料，属于短纤维增强复合材料的3D打印快速成型方法。
背景技术
复合材料的制备方法通常利用模压成型的方法，例如层叠模压、纤网模压、缠绕模压。传统的模压成型方法，虽然操作简单，但是生产周期长，效率低，产品的精度不够高。目前这一类加工方法已经不能够完全满足客户对产品的需求。而利用3D打印快速成型的方法，能够有效解决这类问题，提高打印精度，缩短产品的生产周期。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种能够将短切纤维和热塑性树脂基材料复合的快速成型方法。利用3D打印技术，将短切纤维和树脂基材料加热熔融在一起，然后均匀的打印出所设计的产品；本方法充分利用了3D打印机的快速成型的优势。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种能够将短切纤维和热塑性树脂基材料复合的快速成型方法，包括如下步骤：1）以短切纤维和聚乳酸作为原材料，首先利用计算机中的3DMAX软件设计出所需三维立体成品模型；2）其次将所设计的三维立体成品模型以STL格式拷入3D打印机中，依据纤维和树脂基体的熔点温度来设计工艺参数，主要包括喷嘴加热温度，以及3D打印机温床的温度；3）然后在计算机中运用CuraEngine软件，对STL格式的模型做切片分层处理，并且将三维立体成品模型进行分层的面型化处理并存储入计算机中；4）之后依据计算机中存储的分层得到的闭合多边形轮廓线数据信息生成打印路径传输给3D打印机，依据先前在计算机中设定的喷嘴加热温度和3D打印机温床的温度，使得喷嘴和温床的温度达到设定值，在3D打印机的多入口喷嘴中，通过加热熔融和加压，将熔融的PLA液体挤压出，同时利用3D打印机的打印头在打印平台上完成一个一层闭合多边形轮廓数据信息的打印任务；5）然后根据上述分层得到的数据自动上升一层再进行下一层闭合多边形轮廓数据信息的打印任务；循环往复，直到所有的分层加工完毕生成3DMAX软件所设计的模型。
所述短切纤维采用短切碳纤维、短切玻璃纤维、短切高强聚乙烯纤维中的一种。
所述的三维立体成品模型分层处理步骤为：将三维立体成品模型导入到CuraEngine软件中，使用软件中的切片分层功能进行面型化处理，选择垂直Z轴的平面为分层平面，使其延着三维立体成品模型的Z轴进行等厚分层处理，将三维立体成品模型进行虚拟化切片，根据模型切片的需要来确定切片厚度和层高，依据厚度和层高的关系得到二维截面信息，通过三角形面片数据与二维截面信息的交线位置关系，可以得出每层闭合的多边形轮廓数据信息，从而得到3D打印机坐标中的数据，完成分层处理；所述的三维立体成品模型经过上述面型化处理后，模型的表面即近似为有限个空间三角面片的集合，能解决三维立体成品模型在计算机坐标系和打印设备坐标系中的转换问题。
所述切片厚度为4mm，层高为0.15mm；依据厚度和层高的关系能得到20个二维截面信息。
所述的三维立体成品模型经过面型化的处理后所述的STL格式文件中每个空间三角型面片用4个数据来描述，即实体内部指向外部的三角形面片的外法向量和三角形的3个顶点坐标。
所述的3D打印机采用FDM熔融沉积型打印机，利用3DMAX软件设计出模型，通过加热熔融，挤出熔融体，逐层打印。
所述的3D打印机的多入口喷嘴包括安装在3D打印机喷嘴位置的喷嘴本体，所述的喷嘴本体顶部开设有热塑性树脂喂入口，所述热塑性树脂喂入口与位于喷嘴本体内的通道连通；所述的喷嘴本体左侧上部位置安装有能够将短切纤维利用压强压入喷嘴本体的加压装置，所述加压装置一侧安装有挤压器；所述加压装置出口与位于喷嘴本体内的通道连通，且所述加压装置上方开设有短切纤维喂入口；所述的喷嘴本体内通道中间位置安装有加热装置；所述的喷嘴本体底部还开设有喷丝孔，且所述的喷丝孔与通道的底部连通。
本发明的有益效果是：传统的3D打印机的喷嘴通常只有一个原料喂入口，将两种不同的材料从同一个入口中喂入，容易在打印过程中造成堵塞，从而导致打印出的成品不够均匀。本发明利用对3D打印机喷嘴的改变，避免了打印过程中堵塞的问题。本发明所设计的3D打印机喷嘴，能够让短切纤维与热塑性树脂基体从不同的入口处喂入，能够将短切纤维和树脂基体均匀的熔合在加热区，然后从喷嘴中均匀的挤出。其次利用3D打印技术制备复合材料，不仅降低了生产成本，而且缩短了产品的生产周期。3D打印机打印出的复合材料成品与传统的模压成型方法制造出的产品相比，产品的形式更加的多样化，更容易在生产中得到应用。同时，打印出的复合材料成品强度得到增强。
附图说明
图1是本发明3D打印机多入口喷嘴的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的一种能够将短切纤维和热塑性树脂基材料复合的快速成型方法，采用FDM熔融沉积型打印机，利用3DMAX软件设计出模型，通过加热熔融，挤出熔融体，逐层打印；具体包括如下步骤：1）以短切碳纤维和聚乳酸（PLA）作为原材料，首先利用计算机中的3DMAX软件设计出所需三维立体成品模型；2）其次将所设计的三维立体成品模型以STL格式拷入3D打印机中，依据纤维和树脂基体的熔点温度来设计工艺参数，主要包括喷嘴加热温度，以及3D打印机温床的温度；3）然后在计算机中运用CuraEngine软件，对STL格式的模型做切片分层处理，并且将三维立体成品模型进行分层的面型化处理并存储入计算机中；所述的三维立体成品模型分层处理步骤为：将三维立体成品模型导入到CuraEngine软件中，使用软件中的切片分层功能进行面型化处理，所述的三维立体成品模型经过面型化的处理后所述的STL格式文件中每个空间三角型面片用4个数据来描述，即实体内部指向外部的三角形面片的外法向量和三角形的3个顶点坐标；其中选择垂直Z轴的平面为分层平面，使其延着三维立体成品模型的Z轴进行等厚分层处理，将三维立体成品模型进行虚拟化切片，根据模型切片的需要来确定切片厚度和层高，通常设计切片厚度为4mm，层高为0.15mm；依据厚度和层高的关系得到20个二维截面信息，通过三角形面片数据与二维截面信息的交线位置关系，可以得出每层闭合的多边形轮廓数据信息，从而得到3D打印机坐标中的数据，完成分层处理；所述的三维立体成品模型经过上述面型化处理后，模型的表面即近似为有限个空间三角面片的集合，能解决三维立体成品模型在计算机坐标系和打印设备坐标系中的转换问题。4）之后依据计算机中存储的分层得到的闭合多边形轮廓线数据信息生成打印路径传输给3D打印机，依据先前在计算机中设定的喷嘴加热温度和3D打印机温床的温度，使得喷嘴和温床的温度达到设定值，在3D打印机的多入口喷嘴中，通过加热熔融和加压，将熔融的PLA液体挤压出，同时利用3D打印机的打印头在打印平台上完成一个一层闭合多边形轮廓数据信息的打印任务；5）然后根据上述分层得到的数据自动上升一层再进行下一层闭合多边形轮廓数据信息的打印任务；循环往复，直到所有的分层加工完毕生成3DMAX软件所设计的模型。
如图1所示，所述的3D打印机的多入口喷嘴包括安装在3D打印机喷嘴位置的喷嘴本体，所述的喷嘴本体顶部开设有热塑性树脂喂入口4，所述热塑性树脂喂入口4与位于喷嘴本体内的通道7连通；所述的喷嘴本体左侧上部位置安装有能够将短切纤维利用压强压入喷嘴本体的加压装置5，所述加压装置5一侧安装有挤压器6；所述加压装置5出口与位于喷嘴本体内的通道7连通，且所述加压装置5上方开设有短切纤维喂入口3；所述的喷嘴本体内通道7中间位置安装有加热装置1；所述的喷嘴本体底部还开设有喷丝孔2，且所述的喷丝孔2与通道7的底部连通。
本实施例利用对3D打印机喷嘴的改变，避免了打印过程中堵塞的问题。本实施例所设计的3D打印机喷嘴，能够让短切纤维与热塑性树脂基体从不同的入口处喂入，能够将短切纤维和热塑性树脂基体均匀的熔合在加热区，然后从喷嘴中均匀的挤出。其次本实施例利用3D打印技术制备复合材料，不仅降低了生产成本，而且缩短了产品的生产周期。3D打印机打印出的复合材料成品与传统的模压成型方法制造出的产品相比，产品的形式更加的多样化，更容易在生产中得到应用。同时，打印出的复合材料成品强度得到增强 本实施例利用3D打印机打印的复合材料，与传统的模压成型法相比，具有形式多样，生产成本低，生产周期短等优点，同时又保持了复合材料的优良性能，在机械加工、航空航天领域有良好的发展前景。
实施例2
本实施例的一种能够将短切纤维和热塑性树脂基材料复合的快速成型方法，采用FDM熔融沉积型打印机，利用3DMAX软件设计出模型，通过加热熔融，挤出熔融体，逐层打印；具体包括如下步骤：1）以短切玻璃纤维和聚乳酸（PLA）作为原材料，首先利用计算机中的3DMAX软件设计出所需三维立体成品模型；2）其次将所设计的三维立体成品模型以STL格式拷入3D打印机中，依据纤维和树脂基体的熔点温度来设计工艺参数，主要包括喷嘴加热温度，以及3D打印机温床的温度；3）然后在计算机中运用CuraEngine软件，对STL格式的模型做切片分层处理，并且将三维立体成品模型进行分层的面型化处理并存储入计算机中；所述的三维立体成品模型分层处理步骤为：将三维立体成品模型导入到CuraEngine软件中，使用软件中的切片分层功能进行面型化处理，所述的三维立体成品模型经过面型化的处理后所述的STL格式文件中每个空间三角型面片用4个数据来描述，即实体内部指向外部的三角形面片的外法向量和三角形的3个顶点坐标；其中选择垂直Z轴的平面为分层平面，使其延着三维立体成品模型的Z轴进行等厚分层处理，将三维立体成品模型进行虚拟化切片，根据模型切片的需要来确定切片厚度和层高，通常设计切片厚度为4mm，层高为0.15mm；依据厚度和层高的关系得到20个二维截面信息，通过三角形面片数据与二维截面信息的交线位置关系，可以得出每层闭合的多边形轮廓数据信息，从而得到3D打印机坐标中的数据，完成分层处理；所述的三维立体成品模型经过上述面型化处理后，模型的表面即近似为有限个空间三角面片的集合，能解决三维立体成品模型在计算机坐标系和打印设备坐标系中的转换问题。4）之后依据计算机中存储的分层得到的闭合多边形轮廓线数据信息生成打印路径传输给3D打印机，依据先前在计算机中设定的喷嘴加热温度和3D打印机温床的温度，使得喷嘴和温床的温度达到设定值，在3D打印机的多入口喷嘴中，通过加热熔融和加压，将熔融的PLA液体挤压出，同时利用3D打印机的打印头在打印平台上完成一个一层闭合多边形轮廓数据信息的打印任务；5）然后根据上述分层得到的数据自动上升一层再进行下一层闭合多边形轮廓数据信息的打印任务；循环往复，直到所有的分层加工完毕生成3DMAX软件所设计的模型。
如图1所示，所述的3D打印机的多入口喷嘴包括安装在3D打印机喷嘴位置的喷嘴本体，所述的喷嘴本体顶部开设有热塑性树脂喂入口4，所述热塑性树脂喂入口4与位于喷嘴本体内的通道7连通；所述的喷嘴本体左侧上部位置安装有能够将短切纤维利用压强压入喷嘴本体的加压装置5，所述加压装置5一侧安装有挤压器6；所述加压装置5出口与位于喷嘴本体内的通道7连通，且所述加压装置5上方开设有短切纤维喂入口3；所述的喷嘴本体内通道7中间位置安装有加热装置1；所述的喷嘴本体底部还开设有喷丝孔2，且所述的喷丝孔2与通道7的底部连通。
本实施例利用对3D打印机喷嘴的改变，避免了打印过程中堵塞的问题。本实施例所设计的3D打印机喷嘴，能够让短切纤维与热塑性树脂基体从不同的入口处喂入，能够将短切纤维和热塑性树脂基体均匀的熔合在加热区，然后从喷嘴中均匀的挤出。其次本实施例利用3D打印技术制备复合材料，不仅降低了生产成本，而且缩短了产品的生产周期。3D打印机打印出的复合材料成品与传统的模压成型方法制造出的产品相比，产品的形式更加的多样化，更容易在生产中得到应用。同时，打印出的复合材料成品强度得到增强 本实施例利用3D打印机打印的复合材料，与传统的模压成型法相比，具有形式多样，生产成本低，生产周期短等优点，同时又保持了复合材料的优良性能，在机械加工、航空航天领域有良好的发展前景。
实施例3
本实施例的一种能够将短切纤维和热塑性树脂基材料复合的快速成型方法，采用FDM熔融沉积型打印机，利用3DMAX软件设计出模型，通过加热熔融，挤出熔融体，逐层打印；具体包括如下步骤：1）以短切高强聚乙烯纤维和聚乳酸（PLA）作为原材料，首先利用计算机中的3DMAX软件设计出所需三维立体成品模型；2）其次将所设计的三维立体成品模型以STL格式拷入3D打印机中，依据纤维和树脂基体的熔点温度来设计工艺参数，主要包括喷嘴加热温度，以及3D打印机温床的温度；3）然后在计算机中运用CuraEngine软件，对STL格式的模型做切片分层处理，并且将三维立体成品模型进行分层的面型化处理并存储入计算机中；所述的三维立体成品模型分层处理步骤为：将三维立体成品模型导入到CuraEngine软件中，使用软件中的切片分层功能进行面型化处理，所述的三维立体成品模型经过面型化的处理后所述的STL格式文件中每个空间三角型面片用4个数据来描述，即实体内部指向外部的三角形面片的外法向量和三角形的3个顶点坐标；其中选择垂直Z轴的平面为分层平面，使其延着三维立体成品模型的Z轴进行等厚分层处理，将三维立体成品模型进行虚拟化切片，根据模型切片的需要来确定切片厚度和层高，通常设计切片厚度为4mm，层高为0.15mm；依据厚度和层高的关系得到20个二维截面信息，通过三角形面片数据与二维截面信息的交线位置关系，可以得出每层闭合的多边形轮廓数据信息，从而得到3D打印机坐标中的数据，完成分层处理；所述的三维立体成品模型经过上述面型化处理后，模型的表面即近似为有限个空间三角面片的集合，能解决三维立体成品模型在计算机坐标系和打印设备坐标系中的转换问题。4）之后依据计算机中存储的分层得到的闭合多边形轮廓线数据信息生成打印路径传输给3D打印机，依据先前在计算机中设定的喷嘴加热温度和3D打印机温床的温度，使得喷嘴和温床的温度达到设定值，在3D打印机的多入口喷嘴中，通过加热熔融和加压，将熔融的PLA液体挤压出，同时利用3D打印机的打印头在打印平台上完成一个一层闭合多边形轮廓数据信息的打印任务；5）然后根据上述分层得到的数据自动上升一层再进行下一层闭合多边形轮廓数据信息的打印任务；循环往复，直到所有的分层加工完毕生成3DMAX软件所设计的模型。
如图1所示，所述的3D打印机的多入口喷嘴包括安装在3D打印机喷嘴位置的喷嘴本体，所述的喷嘴本体顶部开设有热塑性树脂喂入口4，所述热塑性树脂喂入口4与位于喷嘴本体内的通道7连通；所述的喷嘴本体左侧上部位置安装有能够将短切纤维利用压强压入喷嘴本体的加压装置5，所述加压装置5一侧安装有挤压器6；所述加压装置5出口与位于喷嘴本体内的通道7连通，且所述加压装置5上方开设有短切纤维喂入口3；所述的喷嘴本体内通道7中间位置安装有加热装置1；所述的喷嘴本体底部还开设有喷丝孔2，且所述的喷丝孔2与通道7的底部连通。
本实施例利用对3D打印机喷嘴的改变，避免了打印过程中堵塞的问题。本实施例所设计的3D打印机喷嘴，能够让短切纤维与热塑性树脂基体从不同的入口处喂入，能够将短切纤维和热塑性树脂基体均匀的熔合在加热区，然后从喷嘴中均匀的挤出。其次本实施例利用3D打印技术制备复合材料，不仅降低了生产成本，而且缩短了产品的生产周期。3D打印机打印出的复合材料成品与传统的模压成型方法制造出的产品相比，产品的形式更加的多样化，更容易在生产中得到应用。同时，打印出的复合材料成品强度得到增强 本实施例利用3D打印机打印的复合材料，与传统的模压成型法相比，具有形式多样，生产成本低，生产周期短等优点，同时又保持了复合材料的优良性能，在机械加工、航空航天领域有良好的发展前景。
Claims (7)
1.一种能够将短切纤维和热塑性树脂基材料复合的快速成型方法，其特征在于，包括如下步骤：1）以短切纤维和聚乳酸作为原材料，首先利用计算机中的3DMAX软件设计出所需三维立体成品模型；2）其次将所设计的三维立体成品模型以STL格式拷入3D打印机中，依据纤维和树脂基体的熔点温度来设计工艺参数，主要包括喷嘴加热温度，以及3D打印机温床的温度；3）然后在计算机中运用CuraEngine软件，对STL格式的模型做切片分层处理，并且将三维立体成品模型进行分层的面型化处理并存储入计算机中；4）之后依据计算机中存储的分层得到的闭合多边形轮廓线数据信息生成打印路径传输给3D打印机，依据先前在计算机中设定的喷嘴加热温度和3D打印机温床的温度，使得喷嘴和温床的温度达到设定值，在3D打印机的多入口喷嘴中，通过加热熔融和加压，将熔融的PLA液体挤压出，同时利用3D打印机的打印头在打印平台上完成一个一层闭合多边形轮廓数据信息的打印任务；5）然后根据上述分层得到的数据自动上升一层再进行下一层闭合多边形轮廓数据信息的打印任务；循环往复，直到所有的分层加工完毕生成3DMAX软件所设计的模型。
2.如权利要求1所述的一种能够将短切纤维和树脂基材料复合的快速成型方法，其特征在于，所述短切纤维采用短切碳纤维、短切玻璃纤维、短切高强聚乙烯纤维中的一种。
3.如权利要求1所述的一种能够将短切纤维和树脂基材料复合的快速成型方法，其特征在于，所述的三维立体成品模型分层处理步骤为：将三维立体成品模型导入到CuraEngine软件中，使用软件中的切片分层功能进行面型化处理，选择垂直Z轴的平面为分层平面，使其延着三维立体成品模型的Z轴进行等厚分层处理，将三维立体成品模型进行虚拟化切片，根据模型切片的需要来确定切片厚度和层高，依据厚度和层高的关系得到二维截面信息，通过三角形面片数据与二维截面信息的交线位置关系，可以得出每层闭合的多边形轮廓数据信息，从而得到3D打印机坐标中的数据，完成分层处理；所述的三维立体成品模型经过上述面型化处理后，模型的表面即近似为有限个空间三角面片的集合，能解决三维立体成品模型在计算机坐标系和打印设备坐标系中的转换问题。
4.如权利要求2所述的一种能够将短切纤维和树脂基材料复合的快速成型方法，其特征在于，所述切片厚度为4mm，层高为0.15mm；依据厚度和层高的关系能得到20个二维截面信息。
5.如权利要求2所述的一种能够将短切纤维和树脂基材料复合的快速成型方法，其特征在于，所述的三维立体成品模型经过面型化的处理后所述的STL格式文件中每个空间三角型面片用4个数据来描述，即实体内部指向外部的三角形面片的外法向量和三角形的3个顶点坐标。
6.如权利要求1所述的一种能够将短切纤维和树脂基材料复合的快速成型方法，其特征在于，所述的3D打印机采用FDM熔融沉积型打印机，利用3DMAX软件设计出模型，通过加热熔融，挤出熔融体，逐层打印。
7.如权利要求1所述的一种能够将短切纤维和树脂基材料复合的快速成型方法，其特征在于，所述的3D打印机的多入口喷嘴包括安装在3D打印机喷嘴位置的喷嘴本体，所述的喷嘴本体顶部开设有热塑性树脂喂入口（4），所述热塑性树脂喂入口（4）与位于喷嘴本体内的通道（7）连通；所述的喷嘴本体左侧上部位置安装有能够将短切纤维利用压强压入喷嘴本体的加压装置（5），所述加压装置（5）一侧安装有挤压器（6）；所述加压装置（5）出口与位于喷嘴本体内的通道（7）连通，且所述加压装置（5）上方开设有短切纤维喂入口（3）；所述的喷嘴本体内通道（7）中间位置安装有加热装置（1）；所述的喷嘴本体底部还开设有喷丝孔（2），且所述的喷丝孔（2）与通道（7）的底部连通。
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| CN201611236350.3A CN106671411A (zh) | 2016-12-28 | 2016-12-28 | 一种能够将短切纤维和热塑性树脂复合的快速成型方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170517 |
|
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