CN109049687B - 3d打印原料及其3d打印方法和3d打印制件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种3D打印原料及其3D打印方法和3D打印制件，打印原料包含了多个块单元，其中，任意所述块单元的材质为纤维增强热塑性树脂材料。方法包括：步骤1、制备3D打印原料，包括：以块单元作为3D打印单元，并根据预打印构件的切片分析获得各个打印层需使用的块单元；成型所述各个打印层的块单元；将成型的块单元的表面均涂敷胶粘剂或将所述块单元表面均设置焊接线；步骤2、根据所得各个打印层的块单元，按顺序逐层打印各个打印层，并且所述各个打印层之间还通过所述胶粘剂粘接连接或通过所述焊接线焊接连接。本发明能够解决目前采用连续纤维增强材料制备3D打印制件时，所得到的制件力学性能差以及针对大型制件的打印速度慢的技术问题。

Description

3D打印原料及其3D打印方法和3D打印制件

技术领域

本发明涉及3D成型技术领域，特别涉及一种3D打印原料及其3D打印方法和3D打印制件。

背景技术

3D打印技术是一种集机械、材料、自动化、软件为一体的先进制造技术，也是被给予厚望的低成本、自动化的先进成型方法，在日常生活中正潜移默化的改变着生活和工作形式，并不断满足人们对于定制化、个性化的需要。那么，什么是3D打印技术？美国材料与试验协会给出一个定义：“一种与传统的材料去除加工方法截然相反的，通过增加材料、基于三维CAD模型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。”(冯春梅、杨继全、施建平著《3D打印成型工艺及技术》，第一章、第1页)。

基于打印的定义，给出了打印工艺是以逐层切片打印、层层叠加的形式，尤其是熔融沉积法(FDM)选择了线状或粉末状的材料，逐层沉积、凝固，速度最高速度可以达到500mm/s，对于大型部件来说，打印时间过长，从而提高了设备利用时间和制造成本；这一点不利于大尺寸制件的生产。

此外，3D打印制件目前在力学性能上还存在不足，使用纯树脂打印成型的制件的拉伸强度低于100MPa，使用连续纤维增强材料打印成型的之间的拉伸强度最高可接近800MPa。虽然以连续纤维增强材料打印的制件力学性能相比于纯树脂有一定程度的提高，不过，使用该材料打印时，该材料的纤维含量一般是控制在40％v以下，过低的纤维含量不利于保留纤维的力学性能。因此，如何提高3D打印制件的力学性能大尺寸制件的打印成型速度，实现打印技术微观制造的优势是一个难点，这也是现阶段打印技术的一个瓶颈。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的目的在于提供一种3D打印原料及其3D打印方法和3D打印制件，能够解决目前采用连续纤维增强材料制备3D打印制件时，所得到的制件力学性能差以及针对大型制件的打印速度慢的技术问题。

本发明的技术解决方案为：

根据一方面，提供一种3D打印原料，所述打印原料包含了多个块单元，其中，任意所述块单元的材质为纤维增强热塑性树脂材料。

上述的3D打印原料，多个块单元的至少部分为形状规则的块单元。

上述的3D打印原料，多个块单元包括长方体结构的块单元和/或正方体结构的块单元。

上述的3D打印原料，位于同一打印层的多个块单元中，至少部分块单元在打印的Z方向的高度不相等。

上述的3D打印原料，任意所述块单元的表面均涂敷有胶粘剂或均设置有多个焊接线。

根据另一方面，提供一种3D打印方法，包括以下步骤：

步骤1、制备3D打印原料，包括：

A1.1设计3D打印单元，

以块单元作为3D打印单元，并根据预打印构件的切片分析获得各个打印层需使用的块单元；

A1.2成型所述各个打印层的块单元，

将一定量的纤维浸渍在热塑性树脂中并进行固化成型即得所述块单元；

A1.3将步骤A1.2所得的块单元的表面均涂敷胶粘剂或将所述块单元表面均设置焊接线；

步骤2、根据步骤1所得的各个打印层的块单元，按顺序逐层打印各个打印层，并且所述各个打印层之间还通过所述胶粘剂粘接连接或通过所述焊接线焊接连接。

上述的3D打印方法，成型各个打印单层的块单元可采用拉挤工艺、模压工艺或热压罐工艺进行。

上述的3D打印方法，根据预打印构件的切片分析获得各个打印层需使用的块单元时，还按照如下原则设计各个打印层所需使用的块单元：位于同一打印层的多个块单元中，至少部分块单元在打印的Z方向的高度不相等。

上述的3D打印方法，步骤A1.1所获取的块单元的至少部分为形状规则的块单元。

根据又一方面，提供一种3D打印制件，该3D打印制件采用上述的3D打印方法打印成型。

应用上述技术方案，通过将纤维增强热塑性树脂作为打印原材料并将该原材料设计为块单元，由于设计的块状结构可以提前预制以及块状结构自身结构特性，因此保证了得到的块单元中的高纤维含量，块单元中的纤维含量可超过60％，相比于现有的粉末材料和线材，保证了打印制件的力学性能。本公开方案使用块单元代替现有的粉末材料或线材，使得打印单层厚度提高数倍，从而也数倍的提高打印速度，为大型制件的快速打印提供了技术基础。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例提供的三层的打印结构形式示意图；

图2为根据本发明实施例提供的两层的打印结构形式示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

正如背景技术所提到的，目前短纤维或连续纤维增强热塑性材料采用的打印方法通常是FDM，即在热的作用下将热塑材料熔融并与预打印平面粘接，逐层沉积形成一个结构体。在此过程中出现两个问题：a预浸问题：由于热塑材料是高分子量的链状分子组成，具有高粘性、低的流动性，难以完全浸透纤维，往往以增加树脂含量来提高纤维的包覆程度；b界面粘接问题：打印过程是依靠热塑材料在低压或无压条件下来实现层层叠加最后形成一个结构体，并非通过高温高压条件下充分界面的空隙或气泡充分挤压溢出、界面充分贴合，为此为了实现界面粘接良好需要更多的热塑材料作为粘接剂。通过文献调研，短纤维的添加量低于30％，连续纤维的添加量低于50％。高纤维含量的制件界面性能很差。基于该背景，本发明实施例提供一种3D打印原料，该打印原料包含了多个块单元，其中，任意所述块单元的材质为纤维增强热塑性树脂材料。

本发明实施例同样以纤维增强热塑性树脂材料作为打印原料的材质，并且作为一项关键之处还在于将打印原料设计为多个块单元，由于块结构自身结构特性(体积相对较大)且可以提前预制(可以令树脂充分预浸、气泡充分溢出、多余树脂溢出，不需要像现有技术a和b那样专门增加树脂含量且分布不均)，保证了得到的块单元中的高纤维含量，任意块单元中的纤维含量超过60％。相比于现有的粉末材料和线材，提高了打印原料中纤维的含量，保证了打印制件的力学性能。而且本发明实施例使用块单元代替现有的粉末材料或线材，使得打印单层厚度提高数倍，从而也数倍的提高打印速度，为大型制件的快速打印提供了技术基础。

本发明实施例中，多个块单元可以为可以是完全相同的块单元，本发明实施例所说的完全相同即指形状、尺寸完全一致；或，多个块单元中的至少部分是不相同的块单元，也即多个块单元可以不相同，也可以一部分是完全相同，另一部分不相同，所说的不相同是包括：形状和尺寸均不相同，或形状相同，但尺寸不同，例如，同为长方体块单元，但尺寸可以不同。此外，不对块单元的形状作出具体限定，该块单元可以是规则的结构也可以是不规则的结构。例如，根据预制备的结构的切片分析即可得到各个打印层使用块的形状、大小和位置选择，现有技术中的开源软件即可以实现。

作为本发明一种实施例，上述的3D打印原料中，多个块单元的至少部分为形状规则的块单元。通过将多个块单元设计为至少部分为形状规则的块单元，一方面可以减少块单元的设计难度以及打印过程中的难度，另一方面，可以提高块单元的制备速度。

在本实施例中，如图1和2所示，多个块单元可以包括多个长方体结构的块单元，或包括多个正方体结构的块单元，或包括多个长方体结构的块单元和多个正方体结构的块单元。并且长方体结构的块单元的尺寸可以相同或不同，正方体结构的块单元的尺寸可以相同或不同。

在本实施例中，多个块单元可以为多个长方体结构的块单元，或多个块单元可以为正方体结构的块单元。并且长方体结构的块单元的尺寸可以相同或不同，正方体结构的块单元的尺寸可以相同或不同。

作为本发明一种实施例，如图1-2所示，上述的3D打印原料中，位于同一打印层的多个块单元中，至少部分块单元在打印的Z方向的高度不相等。本发明实施例中，定义X-Y面即待打印面，Z方向即垂直于每个块单元所处的待打印面的方向。应用此种设计方式，通过将同一打印层的至少部分块单元在打印的Z方向的高度不相等，这样在该打印层打印结束后，该打印层所形成的待打印面即为非平面。这样使得在X-Y表面上即形成邻层的对接缝错位，在Z向上通过块单元高度变化实现不同层之间的对接缝变化，可以设计出在任意一个平面上都不存在直线形的对接缝面；即在每层块单元的对接缝面都可以设计成非平面(折面、曲面)。这种设计可以有效的阻碍裂纹在对接缝上的扩展，提高制件在X、Y和Z向的受载能力。解决了现有打印材料不能在Z向上有效填充纤维，也不能充分利用纤维抗压的特性，极大提高了制件的力学性能。

作为本发明一种实施例，如图2所示，上述的3D打印原料中，对于任意相邻的两层打印层，每一打印层中的块单元之间形成的对接缝隙的至少部分(侧面之间的缝隙)与相邻打印层中的块单元之间形成的对接缝隙要互相错开，如图2所示，第一打印层的块单元之间形成的对接缝隙与第二打印层的块单元之间形成的对接缝隙中，有一部分对接缝隙在竖直方向上是错开的，这种设计可以有效的阻碍裂纹在对接缝上的扩展，极大提高了制件的力学性能。

作为本发明一种实施例，任意块单元的表面均涂敷有胶粘剂或均设置有多个焊接线，胶粘剂可以均匀涂敷，多个焊接线间隔均匀排列在块单元表面。应用此种配置方式，可采用粘接或焊接的形式逐层堆积打印各层块单元，这与一般的打印技术有着明显的不同，可以保证维持块单元内部较高的纤维体积含量。

在本实施例中，为了保证焊接性能，上述焊接线的高度不小于0.2mm；任意相邻焊接线之间的间隔距离为1-2mm。

本发明实施例将块单元作为打印的基本材料，降低了原有打印工艺中对高技术指标原材料的要求，也拓展了打印材料的选择范围。块单元打印借鉴了原有打印技术的原理，实现在各个方向的错缝堆积，尤其是在Z向上的堆积设计，同时块单元可以设计不同尺寸、不同的纤维含量可以有效改善打印制件的力学承载能力，为制件的打印设计提供了新思路。而且相较于粉末材料和线材，大体积的块单元打印过程中可使用快速的粘接或焊接技术，提高了打印单层的厚度和打印体积，可提高制件的打印速度。本发明实施例提供的打印材料制造成本低，且可以大幅度降低制件的打印成本，为打印技术应用于航天、航空、汽车等领域提供新途径。

根据本发明另一实施例提供一种3D打印方法，包括以下步骤：

步骤1、制备上述的3D打印原料，包括：

A1.1设计3D打印单元，

以块单元作为3D打印单元，并根据预打印构件的切片分析获得各个打印层需使用的块单元；

该步骤中，各打印层块单元的大小和选择、排布规律根据打印的构件特征和层内要求相关，可基于现有软件获取，具体可参见上述打印材料叙述内容，在此不再赘述；

A1.2成型所述各个打印层的块单元，

将一定量的纤维浸渍在热塑性树脂中并进行固化成型即得所述块单元，其中，任意所述块单元中，所述纤维的含量超过60％；

A1.3将步骤A1.2所得的块单元的表面均涂敷胶粘剂或将所述块单元表面均设置焊接线；

步骤2、根据步骤1所得的各个打印层的块单元，按顺序逐层打印各个打印层，并且所述各个打印层之间还通过所述胶粘剂粘接连接或通过所述焊接线焊接连接；

该步骤中，如图1-2所示，对于位于同一打印层的多个块单元，任意相邻的块单元即可通过粘接或焊接方式贴合连接；任意相邻打印层的多个块单元同样可通过粘接或焊接方式贴合连接。

该步骤中，具体打印过程可参照FDM工艺，比如，打印第一层时，可按照第一打印层设计好的多个块单元以及其排列顺序，逐个在预打印平台上打印(通过调整喷头步幅实现)，第一层打印结束后即形成待打印面，接着打印第二层，可按照第二打印层设计好的多个块单元以及其排列顺序，在该待打印面上打印堆积第二层，各层之间，层与层与层之间的块单元粘接或焊接(焊接可通过增加超声发生器实现)，依次类推，直至完成打印。

在本实施例中，为了成型各个打印层的块单元，采用拉挤工艺、模压工艺或热压罐工艺进行，这些制备工艺均为现有成熟制备工艺，具体的细节不再展开赘述。

在本实施中，根据预打印构件的切片分析获得各个打印层需使用的块单元时，还按照如下原则设计各个打印层所需使用的块单元：位于同一打印层的多个块单元中，至少部分块单元在打印的Z方向的高度不相等。

根据本发明又一实施例还提供一种3D打印制件，该3D打印制件采用上述的3D打印方法打印成型。

本发明实施例提供的方案相比于现有技术具有以下优势：

1)使用块单元代替粉末材料或线材，提高了纤维含量，保证了制件力学性能，且打印单层厚度提高数倍，从而也数倍的提高打印速度，为大型制件的快速打印提供了技术基础；

2)使用块单元代替粉末材料或线材，可调整块单元的体积，调整并设计各层层间及Z向的力学承载，为3D打印不能保证在某些方向承载弱的缺点提供新途径。

3)本发明采用了焊接或粘接的形式，与一般的打印技术有着明显的不同，可以保证维持块单元内部较高的纤维体积含量。

4)本发明使用的制备精度较低的块单元，尺寸可以达到±0.5mm，与一般的超细粒径、直径为±0.01mm的材料要求要低很多，有效的降低了材料的制造成本。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。

实施例1

粘接块单元打印得到的打印结构

图1示出了使用粘接块单元打印形成的三层打印结构形式，块单元选择纤维含量为65％v、尺寸5mm×5mm×10mm和纤维含量为65％v、尺寸5mm×5mm×15mm两种，材料均为碳纤维增强PA6，表面光滑、涂有环氧快干胶。打印形式：在第一层使用两种块交替排列，之后两层均使用5mm×5mm×15mm一种块。

效果：使用该打印形式后，材料上，使用高纤维含量的单元提高了块单元的整体纤维含量；打印形式上，将打印层缝隙交替错开，提高了层间的抗开裂能力，保证了Z向上的力学性能；打印速度上，整个体打印速度提高至原来的10倍。

实施例2

焊接块单元打印得到的打印结构

图2示出了使用焊接块单元打印形成的两层打印结构形式，块单元选择纤维含量为60％v、尺寸10mm×10mm×15mm和纤维含量为60％v、尺寸5mm×10mm×10mm两种，材料均为碳纤维增强PP，表面有高度为0.5mm(相邻距离为2mm)的多个焊接线。打印形式：两层使用大小两种块单元按一定规律排列。

效果：使用该打印形式后，打印部件的纤维含量提高至60％v；改善了打印部件在各个方向上的力学，提高了部件抗开裂能力；打印速度上，整个体打印速度提高至原来的8倍。

如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种3D打印原料，其特征在于，所述打印原料包含了多个块单元，其中，任意所述块单元的材质为纤维增强热塑性树脂材料,其中，位于同一打印层的多个块单元中，至少部分块单元在打印的Z方向的高度不相等，任意块单元中的纤维含量超过60%。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印原料，其特征在于，所述多个块单元的至少部分为形状规则的块单元。

3.根据权利要求2所述的一种3D打印原料，其特征在于，所述多个块单元包括长方体结构的块单元和/或正方体结构的块单元。

4.根据权利要求1所述的一种3D打印原料，其特征在于，任意所述块单元的表面均涂敷有胶粘剂或均设置有多个焊接线。

5.一种3D打印方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、制备3D打印原料，包括：

A1.1设计3D打印单元，

以块单元作为3D打印单元，并根据预打印构件的切片分析获得各个打印层需使用的块单元；

A1.2成型所述各个打印层的块单元，

将一定量的纤维浸渍在热塑性树脂中并进行固化成型即得所述块单元，任意块单元中的纤维含量超过60%；

A1.3将步骤A1.2所得的块单元的表面均涂敷胶粘剂或将所述块单元表面均设置焊接线；

步骤2、根据步骤1所得的各个打印层的块单元，按顺序逐层打印各个打印层，并且所述各个打印层之间还通过所述胶粘剂粘接连接或通过所述焊接线焊接连接；

其中，根据预打印构件的切片分析获得各个打印层需使用的块单元时，还按照如下原则设计各个打印层所需使用的块单元：位于同一打印层的多个块单元中，至少部分块单元在打印的Z方向的高度不相等。

6.根据权利要求5所述的一种3D打印方法，其特征在于，所述成型所述各个打印单层的块单元可采用拉挤工艺、模压工艺或热压罐工艺进行。

7.根据权利要求5所述的一种3D打印方法，其特征在于，所述A1.1所获取的块单元的至少部分为形状规则的块单元。

8.一种3D打印制件，其特征在于，所述3D打印制件采用权利要求5-7任一项所述的3D打印方法打印成型。

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