CN106738898A - 一种可编程定向短纤维增强复合材料3d打印方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可编程定向短纤维增强复合材料3D打印方法及装置，其打印装置是由主机架、供料仓、铺料装置、成型仓、废料箱、数字掩膜光固化系统以及可控磁场系统组成，供料仓、铺料装置、成型仓、废料箱、数字掩膜光固化系统以及可控磁场系统分别固定设置在主机架，其打印方法利用铺料系统的刮刀将内含磁性短纤维的光敏树脂均匀铺设在成型仓上，然后在其表面定向移动稀土磁铁等磁场源对树脂内磁性纤维进行定向，最后运用数字掩膜光固化技术进行选择性区域固化，层层叠加成型三维实体。本发明方法突破了传统纤维增强复合材料制件成型过程中纤维随机取向的局限性，使短纤维在基质材料中的取向按照设计排列，实现各向异性复合材料制件的成型。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种可编程定向短纤维增强复合材料3D打印方法及装置。
背景技术
短纤维增强树脂复合材料由于具有较高的强度、弹性模量、刚度以及抗蠕变性能，近年来得到广泛应用。一些学者经过长期试验还发现，短纤维增强复合材料的弹性模量、刚度等力学性能与纤维取向存在着定量关系。但在传统的短纤维增强复合材料成型过程中，由于剪切流动、模具型腔形状及其它工艺参数的影响，纤维呈现三维随机取向，进而表现在制件的力学性能上具有各向同性。而实际工程环境中对于纤维增强复合材料制件不同部位的力学性能要求是不同的，所以通过编程复合材料制件中短纤维的取向来实现制件力学性能的各向异性在工程领域具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是要解决上述传统的短纤维增强复合材料成型过程中，由于剪切流动、模具型腔形状及其它工艺参数的影响，纤维呈现三维随机取向，进而表现在制件的力学性能上具有各向同性，而实际工程环境中对于纤维增强复合材料制件不同部位的力学性能要求是不同的问题，而提供一种可编程定向短纤维增强复合材料3D打印方法及装置。
本发明之一种可编程定向短纤维增强复合材料3D打印方法所用的装置，是由主机架、铺料装置、供料仓、成型仓、数字掩膜光固化系统、废料箱、可控磁场系统和及控制器组成；
供料仓、成型仓和废料箱分别固定设置在主机架中部，自左向右分别为供料仓、成型仓和废料箱，铺料装置设置在供料仓上端，可在水平方向上自由移动，数字掩膜光固化系统固定设置在主机架顶部，并位于成型仓正上方，控制器固定在机架底部，可控磁场系统设置在废料箱的右上方，磁场源在磁场运动系统的控制下能够实现空间位置的自由移动、水平面内180°旋转等运动；
铺料装置包括刮刀置架和刮刀，刮刀设置在刮刀置架上；
可控磁场系统包括磁场源和磁场运动系统，磁场源设置在磁场运动系统上，在磁场运动系统的控制下能够实现空间位置的自由移动、水平面内180°旋转等运动，可控磁场系统设置在废料箱的右上方；
所述磁场源为稀土磁铁或通电螺线管；
本发明之一种可编程定向短纤维增强复合材料3D打印方法，该打印方法的步骤如下：
步骤1：选取和混合打印材料；
打印材料的组成及其体积百分比如下：
基体(85-99vol.％)和纤维(1-15vol.％)；
所述基体为光敏树脂，粘度为850-10000CPS；
所述纤维为钢纤维或其它经过磁化处理的碳纤维或玻璃纤维，长度为0.05-2mm，长径比为2-10；
然后将基体和纤维分别倒入搅拌机内，在常温下进行均匀搅拌，搅拌时间为20-30分钟，然后将搅拌完打印材料进行真空去气泡处理，处理完成后，得到所需的打印材料；
步骤2：建立物体的三维模型，并进行切片数据转换处理，生成STL格式，将此文件输入3D打印机，运用软件分析生成铺料系统的运动程序数据、数字掩膜光固化系统的图片信息以及曝光时间和可控磁场系统的强弱特性和运动路径；
步骤3：首先将打印材料装入供料仓，并对供料仓和成型仓进行调平；
步骤4：根据步骤2所得铺料程序，供料仓上升1.2切片层厚度，成型仓下降一个切片层厚度，刮刀由左向右移动，将打印材料均匀铺设在成型仓内，供料仓与成型仓均下降一个切片厚度，刮刀由右向左移动至初始位置，供料仓与成型仓再上升一个切片厚度，即完成了一个切片层厚度材料的铺设，其中切片层的厚度为0.1-3mm；
步骤5：根据步骤2所述可控磁场系统7的强弱特性和运动路径，在步骤4铺设完成的材料表面定向移动磁场源对基体材料内的磁性纤维进行定向，磁场强弱的范围为2500-5000Gs，磁场的移动速度为5-50mm/s，磁场源距离成型材料的高度为9-40mm；
步骤6：根据步骤2所得数字掩膜光固化系统的图片信息以及曝光时间，对步骤5中定向完成的短纤维复合材料进行选择性区域曝光固化，曝光时间为10-20s；
步骤7：若同一切片层内不同区域纤维取向不同，重复步骤5-6，直到完成本层内所有区域的纤维取向和固化；
步骤8：供料仓上升一个切片层厚度，成型仓下降一个切片层厚度，重复步骤4-7，进行下一个切片层的成型，从而层层叠加成型三维实体；
步骤9：将成型制件从成型仓内取出，利用酒精清洗掉多余的光敏树脂，再将制品放入UV灯室进行固化后处理，时间为10-30分钟。
本发明的有益效果：
1)、在3D打印成型复杂形状制件的过程中调控磁场控制系统，对光敏树脂内磁性纤维进行定向，最后运用数字掩膜光固化技术进行选域固化，层层叠加成型三维实体，不仅实现了具有复杂形状的短纤维复合材料制件的直接成型，还突破传统短纤维复合材料制造方法中纤维取向杂乱无章的局限性，使短纤维在基质材料中的取向按照设计排列；
2)、此种成型方法不仅能实现平面内不同区域纤维取向的编程，还能通过调整光敏树脂粘度和磁场控制系统，实现纤维与水平方向夹角的编程；
3)、可编程定向短纤维增强复合材料3D打印方法实现了基体材料内短纤维在三维空间的按设计的任意排列，使得材料的弹性模量、刚度等力学性能或其它性能更具设计性。
附图说明
图1是本发明3D打印装置的结构示意图。
图2是本发明3D打印装置在打印过程中的简图。
图3是本发明平面内纤维取向编程的图解步骤流程图。
图4是本发明纤维与水平方向夹角编程的图解步骤流程图。
图5是本发明实施例1中利用平面内纤维方向编程的3D打印方法成型的短纤维复合材料三维制件示意图。
图6是本发明实施例2中利用纤维与水平方向夹角编程的3D打印方法成型的短纤维复合材料三维制件示意图。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明之一种可编程定向短纤维增强复合材料3D打印方法所用的装置，是由主机架1、铺料装置2、供料仓3、成型仓4、数字掩膜光固化系统5、废料箱6、可控磁场系统7和及控制器8组成；
供料仓3、成型仓4和废料箱6分别固定设置在主机架1中部，自左向右分别为供料仓3、成型仓4和废料箱6，铺料装置2设置在供料仓3上端，可在水平方向上自由移动，数字掩膜光固化系统5固定设置在主机架1顶部，并位于成型仓4正上方，控制器8固定在机架1底部，可控磁场系统7设置在废料箱6的右上方，磁场源71在磁场运动系统72的控制下能够实现空间位置的自由移动、水平面内180°旋转等运动；
铺料装置2包括刮刀置架21和刮刀22，刮刀22设置在刮刀置架21上；
可控磁场系统7包括磁场源71和磁场运动系统72，磁场源71设置在磁场运动系统72上，在磁场运动系统72的控制下能够实现空间位置的自由移动、水平面内180°旋转等运动，可控磁场系统7设置在废料箱6的右上方；
磁场源71为稀土磁铁或通电螺线管。
本发明之一种可编程定向短纤维增强复合材料3D打印方法，具体实施方法如下：
具体实例1：
请参阅图1、图2、图3、图4和图5所示，利用稀土磁铁作为磁场源实现纤维方向可编程的短纤维复合材料的3D打印方法如下：
步骤1：选取和混合打印材料；
打印材料的组成及其体积百分比如下：
基体90vol.％和纤维10vol.％；
所述基体为光敏树脂，粘度为8000CPS；
所述纤维为钢纤维或其它经过磁化处理的碳纤维或玻璃纤维，长度为1mm，长径比为4；
然后将基体和纤维分别倒入搅拌机内，在常温下进行均匀搅拌，搅拌时间为20分钟，然后将搅拌完打印材料进行真空去气泡处理，处理完成后，得到所需的打印材料；
步骤2：建立物体的三维模型，并进行切片数据转换处理，生成STL格式，将此文件输入3D打印机，运用软件分析生成铺料系统的运动程序数据、数字掩膜光固化系统的图片信息以及曝光时间和可控磁场系统的强弱特性和运动路径；
步骤3：首先将打印材料装入供料仓，并对供料仓和成型仓进行调平；
步骤4：根据步骤2所得铺料程序，供料仓上升1.2切片层厚度，成型仓下降一个切片层厚度，刮刀由左向右移动，将打印材料均匀铺设在成型仓内，供料仓与成型仓均下降一个切片厚度，刮刀由右向左移动至初始位置，供料仓与成型仓再上升一个切片厚度，即完成了一个切片层厚度材料的铺设，其中切片层的厚度为0.5mm；
步骤5：根据步骤2所得可控磁场系统的强弱特性和运动路径，在步骤4铺设完成的材料表面定向移动磁场源对基体材料内的磁性纤维进行定向，磁场强弱的范围为3000Gs，磁场的移动速度为20mm/s，磁场源距离成型材料的高度为11mm；
步骤6：根据步骤2所得数字掩膜光固化系统的图片信息以及曝光时间，对步骤中定向完成的短纤维复合材料进行选择性区域曝光固化，曝光时间为10s；
步骤7：若同一切片层内不同区域纤维方向不同，重复步骤5-6，直到本层内所有区域的纤维取向和固化完成；
步骤8：供料仓上升一个切片层厚度，成型仓下降一个切片层厚度，重复步骤4-7，进行下一切片层的打印成型，从而层层叠加成型三维实体；
步骤9：将成型制件从成型仓内取出，利用酒精清洗掉多余的光敏树脂，再将制品放入UV灯室进行固化后处理，时间为10分钟；
具体实例2：
请参阅图1、图2、图3、图4和图6所示，利用通电螺线管作为磁场源实现纤维方向可编程的短纤维复合材料的3D打印方法如下：
步骤1：选取和混合打印材料；
打印材料的组成及其体积百分比如下：
基体95vol.％和纤维5vol.％；
所述基体为光敏树脂，粘度为6000CPS；
所述纤维为钢纤维或其它经过磁化处理的碳纤维或玻璃纤维，长度为0.8mm，长径比为5；
然后将基体和纤维分别倒入搅拌机内，在常温下进行均匀搅拌，搅拌时间为25分钟，然后将搅拌完打印材料进行真空去气泡处理，处理完成后，得到所需的打印材料；
步骤2：建立物体的三维模型，并进行切片数据转换处理，生成STL格式，将此文件输入3D打印机，运用软件分析生成铺料系统的运动程序数据、数字掩膜光固化系统的图片信息以及曝光时间和可控磁场系统的强弱特性和运动路径；
步骤3：首先将打印材料装入供料仓，并对供料仓和成型仓进行调平；
步骤4：根据步骤2所得铺料程序，供料仓上升1.2切片层厚度，成型仓下降一个切片层厚度，刮刀由左向右移动，将打印材料均匀铺设在成型仓内，供料仓与成型仓均下降一个切片厚度，刮刀由右向左移动至初始位置，供料仓与成型仓再上升一个切片厚度，即完成了一个切片层厚度材料的铺设，其中切片层的厚度为1.5mm；
步骤5：根据步骤2所得可控磁场系统的强弱特性和运动路径，在步骤4铺设完成的材料表面定向移动磁场源对基体材料内的磁性纤维进行定向，磁场强弱的范围为2500Gs，磁场的移动速度为5mm/s，磁场源距离成型材料的高度为10mm；
步骤6：根据步骤2所得数字掩膜光固化系统的图片信息以及曝光时间，对步骤中定向完成的短纤维复合材料进行选择性区域曝光固化，曝光时间为20s；
步骤7：若同一切片层内不同区域纤维角度不同，重复步骤5-6，直到本层内所有区域的纤维取向和固化完成；
步骤8：供料仓上升一个切片层厚度，成型仓下降一个切片层厚度，重复步骤4-7，进行下一切片层的打印成型，从而层层叠加成型三维实体；
步骤9：将成型制件从成型仓内取出，利用酒精清洗掉多余的光敏树脂，再将制品放入UV灯室进行固化后处理，时间为20分钟。
Claims (2)
1.一种可编程定向短纤维增强复合材料3D打印方法，该打印方法的步骤如下：
步骤1：选取和混合打印材料；
打印材料的组成及其体积百分比如下：
基体(85-99vol.％)和纤维(1-15vol.％)；
所述基体为光敏树脂，粘度为850-10000CPS；
所述纤维为钢纤维或其它经过磁化处理的碳纤维或玻璃纤维，长度为0.05-2mm，长径比为2-10；
然后将基体和纤维分别倒入搅拌机内，在常温下进行均匀搅拌，搅拌时间为20-30分钟，然后将搅拌完打印材料进行真空去气泡处理，处理完成后，得到所需的打印材料；
步骤2：建立物体的三维模型，并进行切片数据转换处理，生成STL格式，将此文件输入3D打印机，运用软件分析生成铺料系统2的运动程序数据、数字掩膜光固化系统5的图片信息以及曝光时间和可控磁场系统7的强弱特性和运动路径；
步骤3：首先将打印材料装入供料仓3，并对供料仓3和成型仓4进行调平；
步骤4：根据步骤2所得铺料程序，供料仓3上升1.2切片层厚度，成型仓4下降一个切片层厚度，刮刀22由左向右移动，将打印材料均匀铺设在成型仓4内，供料仓3与成型仓4均下降一个切片厚度，刮刀22由右向左移动至初始位置，供料仓3与成型仓4再上升一个切片厚度，即完成了一个切片层厚度材料的铺设，其中切片层的厚度为0.1-3mm；
步骤5：根据步骤2所述可控磁场系统7的强弱特性和运动路径，在步骤4铺设完成的材料表面定向移动磁场源对基体材料内的磁性纤维进行定向，磁场强弱的范围为2500-5000Gs，磁场的移动速度为5-50mm/s，磁场源距离成型材料的高度为9-40mm；
步骤6：根据步骤2所得数字掩膜光固化系统5的图片信息以及曝光时间，对步骤5中定向完成的短纤维复合材料进行选择性区域曝光固化，曝光时间为10-20s；
步骤7：若同一切片层内不同区域纤维取向不同，重复步骤5-6，直到完成本层内所有区域的纤维取向和固化；
步骤8：供料仓3上升一个切片层厚度，成型仓4下降一个切片层厚度，重复步骤4-7，进行下一个切片层的成型，从而层层叠加成型三维实体；
步骤9：将成型制件从成型仓4内取出，利用酒精清洗掉多余的光敏树脂，再将制品放入UV灯室进行固化后处理，时间为10-30分钟。
2.根据权利要求1所述方法所用的一种可编程定向短纤维增强复合材料3D打印装置，是由主机架(1)、铺料装置(2)、供料仓(3)、成型仓(4)、数字掩膜光固化系统(5)、废料箱(6)、可控磁场系统(7)和及控制器(8)组成；
供料仓(3)、成型仓(4)和废料箱(6)分别固定设置在主机架(1)中部，自左向右分别为供料仓(3)、成型仓(4)和废料箱(6)，铺料装置(2)设置在供料仓(3)上端，可在水平方向上自由移动，数字掩膜光固化系统(5)固定设置在主机架(1)顶部，并位于成型仓(4)正上方，控制器(8)固定在机架(1)底部，可控磁场系统(7)设置在废料箱(6)的右上方，磁场源(71)在磁场运动系统(72)的控制下能够实现空间位置的自由移动、水平面内180°旋转等运动；
铺料装置(2)包括刮刀置架(21)和刮刀(22)，刮刀(22)设置在刮刀置架(21)上；
可控磁场系统(7)包括磁场源(71)和磁场运动系统(72)，磁场源(71)设置在磁场运动系统(72)上，在磁场运动系统(72)的控制下能够实现空间位置的自由移动、水平面内180°旋转等运动，可控磁场系统(7)设置在废料箱(6)的右上方；
所述磁场源(71)为稀土磁铁或通电螺线管。
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