CN108908941A - 3d打印连续纤维增强复合材料的树脂含量自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

一种3D打印连续纤维增强复合材料的树脂含量自适应控制方法，先获取变刚度复合材料曲线纤维排布的图形，得到每一条曲线纤维打印路径离散点坐标值；然后根据曲线纤维打印路径离散点的分布特征，选取曲线拟合方式进行拟合，得到曲线方程或曲线插值离散点；再根据曲线方程或曲线插值离散点，动态计算各时间各区域的曲线间距；然后根据曲线方程或曲线插值离散点及各点处曲线间距，修正各打印曲线位置坐标及打印宽度，并计算出各处的树脂含量，得到3D打印指令文件；最后将3D打印指令文件导入到3D打印机中，完成3D打印；本发明实现处处间距不等的两条曲线之间的距离实时计算，完成3D打印工艺中任意位置的树脂与纤维含量的控制。

Description

3D打印连续纤维增强复合材料的树脂含量自适应控制方法

技术领域

本发明涉及连续纤维增强复合材料成形技术领域，具体涉及一种3D打印连续纤维增强复合材料的树脂含量自适应控制方法。

背景技术

纤维增强复合材料作为一种各向异性材料，与金属合金材料相比，具有高比强度、高比模量、可设计强及多功能融合等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶和风力发电等领域。随着新的复合材料制造技术的发展，对于刚度、热传导、电磁等性能的机-电-热一体化的功能调控连续纤维复合材料已经成为航空航天、船舶等领域的迫切需求。

变刚度复合材料可最大化纤维增强复合材料的可设计性，使得结构局部刚度分布与工况条件下的载荷分布对应，解决结构局部区域应力集中问题，提高结构整体的承载能力和材料的使用效率，是未来发展的重要方向。在热传导与磁场调控方面，可根据零部件的特征在其内部添加导热/导电纤维如金属丝、碳纤维等，得到热传导与电磁性能可调控的功能结构，改变结构内部的热传导方式与电磁性能，做到对于热、电磁的灵活设计与调控。通过可控添加碳纤维、金属丝、金属片或者金属网等功能材料，对零件结构的刚度、传导系数、介电常数等性能进行局部调控，可获得具有非均匀材料或结构分布的功能性零部件。

中国专利(申请号为201710784335.0，名称为“一种基于连续纤维复材3D打印的功能调控结构制备方法”)提供了一种功能调控材料的3D打印工艺技术与路径规划方法，但未提出对于变间距的树脂含量的自适应控制方法，此方法是解决连续纤维增强复合材料变刚度调控的必要途径。然而，受制于制造工艺与数值计算方法的限制，想要实现复杂纤维路径打印与含量的动态控制，其主要难点为：

(1)现有的3D打印工艺软件都为均一扫描间距与树脂挤出速度的参数设置，无法对3D打印gcode文件进行各项工艺参数的非线性数值调整，因此难以完全实现变刚度复合材料的复杂纤维路径与含量动态控制；

(2)对于树脂与纤维含量的控制，其本质在于处处间距不等的两条曲线之间的距离如何计算。如何准确定义出两条曲线间的距离并计算出任意曲线每一个点处的间距是本领域的难点。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种3D打印连续纤维增强复合材料的树脂含量自适应控制方法，采用离散点曲线模拟与动态曲线线间距离计算方法，实现处处间距不等的两条曲线之间的距离实时计算，进而完成3D打印工艺中任意位置的树脂与纤维含量的控制。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种3D打印连续纤维增强复合材料的树脂含量自适应控制方法，包括以下步骤：

1)获取曲线离散点坐标：用三维建模或图形处理软件获取变刚度复合材料曲线纤维排布的图形，并得到每一条曲线纤维打印路径离散点坐标值；

2)离散点曲线拟合：利用数值计算软件，根据步骤1)中曲线纤维打印路径离散点的分布特征，选取曲线拟合方式进行拟合，得到曲线方程或曲线插值离散点；

3)动态曲线间距计算：利用数值计算软件，根据步骤2)中得到的曲线方程或曲线插值离散点，动态计算各时间各区域的曲线间距；

4)修正打印坐标值并计算树脂含量：利用数值计算软件，根据步骤2)中得到的曲线方程或曲线插值离散点及步骤3)中得到的各点处曲线间距，修正各打印曲线位置坐标及打印宽度，并计算出各处的树脂含量，得到3D打印指令文件；

5)完成3D打印制备：将3D打印指令文件导入到3D打印机中，完成3D打印制件的制备。

所述的步骤1)中三维建模或图形处理软件包括Matlab、AutoCAD、Mathematica和MathCAD等。

所述的步骤2)、步骤3)、步骤4)中数值计算软件包括Matlab、Maple、Mathematica、MathCAD以及基于python的numpy/scipy/sympy等。

所述的步骤2)中曲线拟合方式包括多项式拟合、指数函数拟合、对数函数拟合、幂函数拟合、傅立叶函数拟合、高斯函数拟合和三次样条插值拟合等。

所述的步骤3)中动态计算各时间各区域的线间距离，其方法包括但不局限于以下三种：

A.等横坐标插值法：对同一横坐标值下的纵坐标相减得到的值作为各点处曲线间距；

B.法线相交法：对各曲线每一点求出其切线方程与法线方程，并得到求出法线与相邻两条曲线的交点，最后求得在此点处曲线间距；

C.最近距离法：对各曲线每一点做圆逼近相邻曲线得到两个切点，并计算得到曲线上的点与两个切点的直线距离作为曲线间距。

本发明的有益效果为：

本发明提可以实现任意曲线任意位置相对于另一条曲线的距离计算，并结合3D打印技术，实现非等距打印扫描间距的打印，以使得形状复杂、内部结构可设计零件的制造成为可能，为刚度、电磁性能、热性能等功能可调控材料的制造提供技术支持。本发明计算出的曲线间距与树脂含量，能有效解决3D打印中各部分所需树脂含量不均等、打印路径宽度不均一的问题，能主动对任意区域的增强体(短纤维、长纤维、连续纤维等)含量、树脂含量进行设计与控制，计算方法与结果准确可靠，可广泛应用于变刚度复合材料层合板、非均质复材零件等3D打印制品的路径规划与制造，根据制件所需力学性能、电磁性能、热性能等对打印路径或纤维、导体排布等曲线放置方式进行灵活设计与调控，计算出线间距离与打印树脂含量，以制造出功能可调控的机-电-热一体化零部件。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明实施例带有中心圆孔的变刚度复合材料中打印路径示意图。

图3是本发明打印路径坐标点的三次样条插值拟合结果示意图。

图4是本发明动态曲线间距计算方法中等横坐标插值法的示意图。

图5是本发明动态曲线间距计算方法中法线相交法的示意图。

图6是本发明动态曲线间距计算方法中最近距离法的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本实施例采用连续纤维复合材料3D打印机作为制备装置，Matlab为数值计算软件，选用熔融挤出成形工艺，以带有中心圆孔的变刚度复合材料为例进行详细说明。

参照图1，一种3D打印连续纤维增强复合材料的树脂含量自适应控制方法，包括以下操作步骤：

1)获取曲线离散点坐标：用三维建模软件AutoCAD获取变刚度复合材料曲线纤维排布的图形，并得到每一条曲线纤维打印路径离散点坐标值，如图2所示；

2)离散点曲线拟合：利用数值计算软件Matlab，根据步骤1)中导入的曲线纤维打印路径离散点坐标值的分布特征，使用三次样条插值方法进行曲线拟合，得到曲线插值离散点，如图3所示；

3)动态曲线间距计算：利用数值计算软件Matlab，根据步骤1)中得到曲线插值离散点，动态计算各时间各区域的曲线间距；

具体的：选用等横坐标插值法进行动态曲线间距计算，如图4所示，对同一横坐标值x_i(i＝1，2，3，...)下的纵坐标y_i(i＝1，2，3，...)相减得到线间的距离作为曲线间距，即d＝y_i-y_i-1；

或选用法线相交法进行动态曲线间距计算，如图5所示，在任意点(x_i，y_i)周围进行曲线拟合，再求出过此点的切线方程y_t，并设计循环结构计算出给定步长下所有点的切线方程；利用数值计算软件Matlab，根据各点切线方程，计算得到在任意点(x_i，y_i)垂直于其切线的法线方程y_n，并设计循环结构计算出步骤2)中所有曲线插值离散点的法线方程；利用数值计算软件Matlab，根据法线方程，逐一与相邻曲线计算交点(x_j，y_j)，得到线间距离d作为曲线间距；

或选用最近距离法进行动态曲线间距计算，如图6所示，对各曲线每一点(x_i，y_i)做圆逼近相邻曲线得到切点，并得到两个切点与x_i，y_i)的距离，作为曲线间距；

4)修正打印坐标值并计算树脂含量：利用数值计算软件Matlab，根据步骤2)中得到的曲线方程或曲线插值离散点及步骤3)中得到的各点处曲线间距，得到修正后的曲线坐标为x_new、y_new及打印宽度D，并根据以上参数就算出各处的树脂含量，得到3D打印指令文件；

5)完成3D打印制备：将3D打印指令文件导入到3D打印机中，选择聚乳酸(PLA)为树脂基体、芳纶纤维为增强体材料，根据路径与工艺参数信息，完成变刚度纤维复合材料的制备。

Claims (5)

1.一种3D打印连续纤维增强复合材料的树脂含量自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取曲线离散点坐标：用三维建模或图形处理软件获取变刚度复合材料曲线纤维排布的图形，并得到每一条曲线纤维打印路径离散点坐标值；

2)离散点曲线拟合：利用数值计算软件，根据步骤1)中曲线纤维打印路径离散点的分布特征，选取曲线拟合方式进行拟合，得到曲线方程或曲线插值离散点；

3)动态曲线间距计算：利用数值计算软件，根据步骤2)中得到的曲线方程或曲线插值离散点，动态计算各时间各区域的曲线间距；

4)修正打印坐标值并计算树脂含量：利用数值计算软件，根据步骤2)中得到的曲线方程或曲线插值离散点及步骤3)中得到的各点处曲线间距，修正各打印曲线位置坐标及打印宽度，并计算出各处的树脂含量，得到3D打印指令文件；

5)完成3D打印制备：将3D打印指令文件导入到3D打印机中，完成3D打印制件的制备。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印连续纤维增强复合材料的树脂含量自适应控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中三维建模或图形处理软件包括Matlab、AutoCAD、Mathematica和MathCAD。

3.根据权利要求1所述的一种3D打印连续纤维增强复合材料的树脂含量自适应控制方法，其特征在于：所述的步骤2)、步骤3)、步骤4)中数值计算软件包括Matlab、Maple、Mathematica、MathCAD以及基于python的numpy/scipy/sympy。

4.根据权利要求1所述的一种3D打印连续纤维增强复合材料的树脂含量自适应控制方法，其特征在于：所述的步骤2)中曲线拟合方式包括多项式拟合、指数函数拟合、对数函数拟合、幂函数拟合、傅立叶函数拟合、高斯函数拟合和三次样条插值拟合。

5.根据权利要求1所述的一种3D打印连续纤维增强复合材料的树脂含量自适应控制方法，其特征在于：所述的步骤3)中动态计算各时间各区域的线间距离，其方法包括但不局限于以下三种：

A.等横坐标插值法：对同一横坐标值下的纵坐标相减得到的值作为各点处曲线间距；

B.法线相交法：对各曲线每一点求出其切线方程与法线方程，并得到求出法线与相邻两条曲线的交点，最后求得在此点处曲线间距；

C.最近距离法：对各曲线每一点做圆逼近相邻曲线得到两个切点，并计算得到曲线上的点与两个切点的直线距离作为曲线间距。