CN109016493B - 一种压力调控的连续纤维复合材料fdm 3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种压力调控的连续纤维复合材料FDM 3D打印方法属于复合材料熔融沉积3D打印领域，涉及一种通过调控打印挤压力的方式来进行连续纤维复合材料的FDM 3D打印方法。该方法采用压力调控的FDM 3D打印系统，打印系统由连续纤维3D打印机，压力传感器，信息采集模块，Z轴驱动模块和计算机控制系统组成。首先将打印工件三维模型的设置参数导入计算机中，采集实时压力控制，并设置打印挤压力的波动范围；分别执行底层、中间层、顶层打印。采用纯热塑性树脂材料打印顶层，保证表面的平整性。该方法采用控制压力稳定的打印方式，避免了连续纤维在传统等间距打印时发生折断、脱粘等失效破坏，为实现高质量的连续纤维复合材料FDM 3D打印提供了一种有效方法。
Description
技术领域
本发明属于复合材料熔融沉积3D打印领域，涉及一种通过调控打印挤压力的方式来进行连续纤维复合材料的FDM 3D打印方法。
技术背景
随着航空航天事业的迅猛发展，轻质高强的飞机结构对提高飞行性能、降低飞行成本起着至关重要的作用。纤维增强复合材料由于高强度、高模量的优异材料性能，近年来在航空航天领域的应用越来越广泛。传统的纤维增强复合材料构件要经过铺放固化、加工装配等复杂成型过程，且无法满足复杂构件的快速制造要求，大大限制了纤维增强复合材料在复杂结构制造上的推广应用。
3D打印是一种区别于传统减材制造技术的成型技术，通过分层切片技术可以直接将零件的三维模型信息转化为数据信息，3D打印机按切片后的数据文件将材料层层堆积快速成型为完整零件。这极大的缩短了制造周期、降低了制造成本。连续纤维复合材料3D打印技术是一种以热塑性树脂材料为基体相，连续纤维为增强相的新型成型技术，可以实现高性能纤维增强复合材料零件快速制造的要求，通过精准控制连续纤维走向、调控纤维含量，获得更高性能的复合材料构件。然而，连续纤维丝与热塑性树脂两相间性能差异巨大，热塑性树脂材料可以加热熔融成流动状态，通过喷头定向移动冷却固化，而纤维丝加热前后热力学特性基本不发生改变，无法通过传统的3D打印方法进行共同制造。因此，如何实现两相材料连续均匀挤出已成为迫切需要解决的的核心问题。
武汉斯托得科技有限责任公司专利“一种能打印连续性纤维的3D打印机、打印机喷头及打印机进料结构”，申请号：201610463766.2，该专利采用了传统的熔融沉积打印方式，通过增加一个连续纤维挤丝头，将两种材料一起挤进喷腔中，通过加热喷腔融化后的树脂包裹着连续碳纤维，从喷嘴中连续挤出以实现打印。然而，这类连续纤维复合材料熔融沉积(FDM)3D打印技术都是基于熔融沉积原理，通过增加连续纤维挤丝机以及改善喷头结构来使连续纤维与热塑性树脂结合更紧密，没有着重考虑连续纤维在挤出时所遇到的困难。传统的熔融沉积3D打印技术中每一层层厚固定，已打印的纤维/树脂层表面并不平整，喷嘴与打印层间的打印压力随间隙距离不断变化而变化。连续纤维丝加热后并不具备热塑性树脂良好的流动性，若喷嘴与打印层的压力过大，由于纤维丝的硬脆性，在喷嘴出口处极易发生折断，甚至纤维丝无法从喷嘴挤出并堵塞喷头；若喷嘴与打印层的压力过小，会导致纤维与树脂间压力不够，浸润度差，两相空隙增多，甚至打印压力不足以将纤维压实在树脂间，发生脱粘。
发明内容
本发明为克服现有技术的缺陷，发明一种压力调控的连续纤维复合材料FDM 3D打印方法，该方法采用了压力调控的FDM 3D打印系统由连续纤维3D打印机，压力传感器，信息采集模块，Z轴驱动模块和计算机控制系统组成。通过压力传感器、信息采集模块输入的信息，计算机控制并实时调整喷嘴与打印层间的间隙，进而调整打印时喷嘴与打印层间的压力，让连续纤维从喷嘴连续挤出，并与热塑性树脂紧密结合，实现连续纤维增强复合材料的高质高效制造。
本发明采用的技术方案是一种压力调控的连续纤维复合材料FDM 3D打印方法，其特征是，该方法采用压力调控的FDM 3D打印系统，打印系统由连续纤维3D打印机，压力传感器，信息采集模块，Z轴驱动模块和计算机控制系统组成；该方法首先将打印工件三维模型的设置参数导入计算机中，采集实时压力控制，并设置打印挤压力的波动范围；分别执行底层、中间层、顶层打印，打印中实时检测打印压力范围；顶层打印时，采用纯热塑性树脂材料打印，保证表面的平整性；方法的具体步骤如下：
步骤1安装压力调控的FDM 3D打印系统，导入打印工件三维模型的设置参数；
压力调控的FDM 3D打印系统由连续纤维3D打印机、压力传感器、信息采集模块、Z轴驱动模块和计算机控制系统组成；在连续纤维3D打印机的喷嘴1与加热块3之间安装压力传感器2，压力传感器2与信息采集模块连接，信息采集模块与Z轴驱动模块分别与计算机控制系统相连接，Z轴驱动模块与连续纤维3D打印机的打印平台7连接；通过计算机控制系统给Z轴驱动模块发出信号以控制打印平台7升降；加热块3中装有热塑性树脂4与连续碳纤维丝5；
将需要打印的工件三维模型导入计算机中，设置相关的打印参数：层厚h与连续碳纤维丝含量n成正比，h＝(0.001n+0.1)mm，打印速度v与喷嘴的锥头外径D成正比，v＝0.8D/s～1.5D/s，进行切片，将切片后的打印路径文件输入至3D打印机中；
再将压力数值归零，消除安装后的压力误差，开始执行打印；整个打印过程分三个部分，分别是底层打印、中间层打印和顶层打印；
步骤2执行底层打印，采集实时压力并设置打印挤压力的波动范围；
在底层打印时，喷嘴1距离打印平台7一个层厚h移动，打印材料从喷嘴1中挤出到打印平台上，压力传感器2将打印中的实时压力F0通过信息采集模块输入计算机当中。取底层打印过程中的F0平均值为F，设置参数N作为打印挤压力的波动范围，即(100-N)％F～(100+N)％F，其中，N取值与层厚h有关，N＝50h～100h；
步骤3执行中间层打印，实时检测打印压力范围；
底层打印结束后，Z轴驱动模块控制打印平台7下降h距离，3D打印机开始执行中间层的打印；由于已打印的连续纤维/热塑性树脂材料表面并不平整，喷嘴1与打印层6间的挤压力F’会不断变化，压力传感器2将此挤压力F’通过信息采集模块输入计算机控制系统；实时检测打印挤压力F’是否在步骤2中设定的打印挤压力的波动范围内，若测得压力数值超出此范围，则通过计算机控制系统给Z轴驱动模块一个下降的信号，增大喷嘴1与打印层6的间隙，从而减小打印压力；若测得压力数值低于此范围，则通过计算机控制系统给Z轴驱动模块一个上升的信号，减小喷嘴1与打印层6的间隙，从而增大打印压力；其中Z轴上升下降速度vz为0.1h/s～0.2h/s，h为设置的打印层厚；
在完成中间每一层的打印工作后，路径数据信息中要Z轴电机执行平台下降操作，该操作由Z轴驱动模块指使打印平台7执行，执行完后反馈给路径数据信息，接着开始下一层的打印命令，直至工件中间层打印全部结束，进行顶层打印；
步骤4顶层打印时，连续纤维停止挤出，仅采用纯热塑性树脂材料打印，打印平台的高度在顶层打印过程中保持不变；在前面层数高度浮动打印后，调整最后整体高度与设计尺寸一致，也保证了表面的平整性。
本发明的有益效果是与已有的连续纤维复合材料3D打印方式相比，在打印过程中，层厚并不固定，可以根据实时的打印压力来调整，保证了连续纤维稳定挤出，结合热塑性树脂被压实在打印层上，避免了连续纤维折断与脱粘的现象。稳定挤压力成型的构件，每一处连续纤维与热塑性树脂两相间的成型状态相近，整体构件力学性能更稳定。在打印尺寸上，底层是在打印平台上成型，表面较齐整；顶层是热塑性树脂打印而成，受到喷嘴的挤压力，流动的树脂可以在顶层形成一个平整表面，保证了复合材料的成型尺寸精确。实现了连续纤维增强复合材料的高质高效制造。该方法采用控制压力稳定的打印方式，避免了连续纤维在传统等间距打印时发生折断、脱粘等失效破坏。为实现高质量的连续纤维复合材料FDM 3D打印提供了一种有效方法。
附图说明
图1为一种压力调控的连续纤维复合材料FDM 3D打印系统。
其中，1-喷嘴，2-环形压力传感器，3-加热块，4-热塑性树脂，5-连续碳纤维丝，6-打印层，7-打印平台，h-层厚，D-锥头外径，V-打印速度，VZ-打印平台Z向速度。
图2为一种调控挤压力的连续纤维复合材料FDM 3D打印方法流程图。
具体实施方法
下面结合技术方案和附图对本发明作进一步详细说明。
图1为一种压力调控的连续纤维复合材料FDM 3D打印系统，打印系统由连续纤维3D打印机，压力传感器，信息采集模块，Z轴驱动模块和计算机控制系统组成；在连续纤维3D打印机的喷嘴1与加热块3之间安装压力传感器2，压力传感器2与信息采集模块连接，信息采集模块与Z轴驱动模块分别与计算机控制系统相连接，Z轴驱动模块与连续纤维3D打印机的打印平台7连接；通过计算机控制系统给Z轴驱动模块发出信号以控制打印平台7升降，利用信息采集模块将实时打印压力输入计算机中，通过计算机传递两个模块间的交互信息。加热块3中装有热塑性树脂4与连续碳纤维丝5。
图2为一种基于调控挤压力的连续纤维复合材料FDM 3D打印方法流程图，具体分为四步，第一步为压力归零，第二步为底层打印，采集底层打印过程中的F0，计算平均值F，并设置一个压力波动范围。第三步为中间层打印，采集打印过程中的实时压力F’，当F’数值不在预设波动范围内时，调整打印平台高度，第四步为打印平台高度不变，纯树脂打印至结束。方法的具体步骤如下：
步骤1将需要打印的工件三维模型导入计算机中，设置相关的打印参数：层厚h与连续碳纤维丝含量n成正比，h＝(0.001n+0.1)mm，打印速度v与喷嘴的锥头外径D成正比，v＝0.8D/s～1.5D/s进行切片，将切片后的打印路径文件输入至3D打印机中。
在本实施例中，设置打印参数开始切片，打印过程受层厚h与打印速度v的影响。选择n＝1k的连续碳纤维丝5，锥头外径D＝3mm的喷嘴1，层厚h＝(0.001x1000+0.1)＝0.2mm，打印速度v＝0.8D/s～1.5D/s＝2.4mm/s～4.5mm/s，低打印速度可以提高打印稳定性，高打印速度可以减小成型时间，本实施例采用2.4mm/s的打印速度。
步骤2将压力数值归零，消除安装后的压力误差，开始执行打印。整个打印过程分为三个部分，第一个部分是底层打印，第二个部分是中间层打印，第三个部分是顶层打印。
在底层打印开始时，Z轴驱动模块控制打印平台7到离喷嘴1一个层厚h的位置。喷头开始执行水平面路径指令，热塑性树脂4与连续纤维5从喷嘴1中挤出到打印平台7上，压力传感器2将打印中的实时压力通过信息采集模块输入计算机当中。由于底层打印时，打印平台7表面没有材料，比较平整，喷嘴1与打印平台7间的压力保持稳定，打印过程中的压力应该比较均匀且适合连续纤维打印。取第一层打印过程中的F0平均值为F，设置参数N作为打印挤压力的波动范围。其中，N取值与层厚h有关，N＝50h～100h＝10～20，按实际要求选取，数值越小，打印压力反应的灵敏度越高。在本例中选择N＝10，波动范围为90％F～110％F；计算机通过Z轴驱动模块使打印平台7以vz＝0.1h/s～0.2h/s＝(0.02～0.04)mm/s速度上升,升降速度vz越大，整体反应的灵敏度越高，可根据打印速度大小来调控，本例采用2.4mm/s的小打印速度，因此升降速度vz取较小的0.02mm/s。
步骤3在底层打印结束后，Z轴驱动模块控制打印平台下降h距离，3D打印机开始执行中间层的打印。此时已有一层打印层铺在打印平面上，由于热塑性树脂4的流动性与连续纤维5的硬脆性，冷却时并不完全按路径形状冷却固化，导致已成型的表面并不光整，喷嘴1与打印层6之间的打印挤压力F’与间距是实时变化的。将测得的实时打印挤压力F’与步骤2中的打印挤压力的波动范围90％F～110％F范围进行比较，当F’>110％F时，纤维受到的挤压力过大，无法从喷嘴1挤出导致折断，计算机通过Z轴驱动模块使打印平台7以较小的速度vz上升，减小挤压力；当F’<90％F时，纤维收到的挤压力过小，与热塑性树脂浸润度差，粘结不牢靠，计算机通过Z轴驱动模块使打印平台7以较大的速度vz下降，增大挤压力。中间每一层打印结束后，开始下一层打印。直至工件中间层打印全部结束，进行顶层打印。
步骤4在顶层打印时，连续纤维停止挤出，仅采用纯热塑性树脂打印方式。由于热塑性树脂具有较好的流动性，能实现较平整的打印效果。打印平台的高度在顶层打印过程中保持不变。在前面层数高度浮动打印后，调整最后整体高度与设计尺寸一致，也保证了表面的平整性。
本发明的一种压力调控的连续纤维复合材料FDM 3D打印方法，采用控制压力稳定的打印方式，避免了连续纤维在传统等间距打印时发生折断、脱粘等失效破坏。为实现高质量的连续纤维复合材料FDM3D打印提供了一种有效方法。
Claims (1)
1.一种压力调控的连续纤维复合材料FDM 3D打印方法，其特征是，该方法采用压力调控的FDM 3D打印系统，打印系统由连续纤维3D打印机，压力传感器，信息采集模块，Z轴驱动模块和计算机控制系统组成；该方法首先将打印工件三维模型的设置参数导入计算机中，采集实时压力控制，并设置打印挤压力的波动范围；分别执行底层、中间层、顶层打印，打印中实时检测打印压力范围；顶层打印时，采用纯热塑性树脂材料打印，保证表面的平整性；方法的具体步骤如下：
步骤1安装压力调控的FDM 3D打印系统，导入打印工件三维模型的设置参数；
压力调控的FDM 3D打印系统由连续纤维3D打印机、压力传感器、信息采集模块、Z轴驱动模块和计算机控制系统组成；在连续纤维3D打印机的喷嘴(1)与加热块(3)之间安装压力传感器(2)，压力传感器(2)与信息采集模块连接，信息采集模块与Z轴驱动模块分别与计算机控制系统相连接，Z轴驱动模块与连续纤维3D打印机的打印平台(7)连接；通过计算机控制系统给Z轴驱动模块发出信号以控制打印平台(7)升降；加热块(3)中装有热塑性树脂(4)与连续碳纤维丝(5)；
将需要打印的工件三维模型导入计算机中，设置相关的打印参数：层厚h与连续碳纤维丝含量n成正比，h＝(0.001n+0.1)mm，打印速度v与喷嘴的锥头外径D成正比，v＝0.8D/s～1.5D/s，进行切片，将切片后的打印路径文件输入至3D打印机中；
再将压力数值归零，消除安装后的压力误差，开始执行打印；整个打印过程分三个部分，分别是底层打印、中间层打印和顶层打印；
步骤2执行底层打印，采集实时压力并设置打印挤压力的波动范围；
在底层打印时，喷嘴(1)距离打印平台(7)一个层厚h移动，打印材料从喷嘴(1)中挤出到打印平台上，压力传感器(2)将打印中的实时压力F0通过信息采集模块输入计算机当中；取底层打印过程中的F0平均值为F，设置参数N作为打印挤压力的波动范围，即(100-N)％F～(100+N)％F，其中，N取值与层厚h有关，N＝50h～100h；
步骤3执行中间层打印，实时检测打印压力范围；
底层打印结束后，Z轴驱动模块控制打印平台(7)下降h距离，3D打印机开始执行中间层的打印；由于已打印的连续纤维/热塑性树脂材料表面并不平整，喷嘴(1)与打印层(6)间的挤压力F’会不断变化，压力传感器(2)将此挤压力F’通过信息采集模块输入计算机控制系统；实时检测打印挤压力F’是否在步骤2中设定的打印挤压力的波动范围内，若测得压力数值超出此范围，则通过计算机控制系统给Z轴驱动模块一个下降的信号，增大喷嘴(1)与打印层(6)的间隙，从而减小打印压力；若测得压力数值低于此范围，则通过计算机控制系统给Z轴驱动模块一个上升的信号，减小喷嘴(1)与打印层(6)的间隙，从而增大打印压力；其中Z轴上升下降速度vz为0.1h/s～0.2h/s，h为层厚；
在完成中间每一层的打印工作后，路径数据信息中要Z轴电机执行平台下降操作，该操作由Z轴驱动模块指使打印平台(7)执行，执行完后反馈给路径数据信息，接着开始下一层的打印命令，直至工件中间层打印全部结束，进行顶层打印；
步骤4顶层打印时，连续纤维停止挤出，仅采用纯热塑性树脂材料打印，打印平台的高度在顶层打印过程中保持不变；在前面层数高度浮动打印后，调整最后整体高度与设计尺寸一致，也保证了表面的平整性。
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