CN111113889B - 一种使用带芯线材的熔融沉积成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用带芯线材的熔融沉积成型方法，包括以下步骤：(1)设计使用带芯线材的实体构件，将其分割为采用带芯线材的由若干并排的六边形单体组成的蜂窝状网格骨架，以及围在蜂窝状网格骨架外侧的外壳；(2)骨架制备：以功能线材与普通线材两种线材为原料，采用熔融沉积成型机逐层打印，每个单层的打印过程中，先使用功能线材以连续走线方式打印出由若干六边形单体组成的蜂窝状网格骨架，接着，采用普通线材填补六边形单体；(3)实体构件制备：以步骤(2)制备的蜂窝状网格骨架为基础，继续采用普通线材在蜂窝状网格骨架外侧打印出所述外壳，即完成。与现有技术相比，本发明实现采用特殊的功能线材对特殊性能实体构件的打印。

Description

一种使用带芯线材的熔融沉积成型方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，涉及一种使用带芯线材的熔融沉积成型方法。
背景技术
现有的3D打印熔融沉积成型实体构件一般都是采用普通的热塑性线材打印而成，此种构件与传统的注塑成型构件相比除了能实现更多样的形状外，在机械性能和智能化上并无更多的进展，因此，这无疑限制了其应用的可能性。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种使用带芯线材的熔融沉积成型方法。着眼于通过在熔融沉积成型使用的线材中添加芯体的方式为熔融沉积成型构件带来更多的可能性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种使用带芯线材的熔融沉积成型方法，包括以下步骤：
(1)设计使用带芯线材的实体构件，将其分割为采用带芯线材的由若干并排的六边形单体组成的蜂窝状网格骨架，以及围在蜂窝状网格骨架外侧的外壳；
(2)骨架制备：
以功能线材与普通线材两种线材为原料，采用熔融沉积成型机逐层打印，每个单层的打印过程中，先使用功能线材以连续走线方式打印出由若干六边形单体组成的蜂窝状网格骨架，接着，采用普通线材填补六边形单体，使得六边形单体的每条边均由两根线材组成；
(3)实体构件制备：
以步骤(2)制备的蜂窝状网格骨架为基础，继续采用普通线材在蜂窝状网格骨架外侧打印出所述外壳，即完成。
进一步的，所述功能线材为智能线材、增强线材和/或智能增强线材，其中，
智能线材包括智能芯材和包裹在芯材外的热塑性树脂，所述智能芯材包括HGCCST线芯，以及包裹在HGCCST线芯外的光固化树脂；
增强线材包括增强芯材，以及包裹在芯材外的热塑性树脂，所述增强芯材包括位于中心的碳纤维和包覆在碳纤维外的光固化树脂；
智能增强线材包括智能增强芯材和包裹在智能增强芯材外的热塑性树脂，其中，所述智能增强芯材包括由外表面涂覆有绝缘层的碳纤维和HGCCST线材交缠而成复合内芯，以及包裹复合内芯的光固化树脂。
更进一步的，所述光固化树脂为PBU树脂。
更进一步的，所述热塑性树脂为PLA、PVC或ABS。
更进一步的，智能芯材、增强芯材和智能增强线材的总直径控制在380-420微米。
更进一步的，当采用的功能线材为智能线材或者智能增强线材时，外壳上留出骨架引出线的空位。
进一步的，熔融沉积成型机逐层打印蜂窝状网格骨架的过程中，层与层之间的打印功能线材的行走方向满足：每打印完一层，其方向变化120°。
更进一步的，功能线材打印过程中产生的六边形单元体的空位均采用普通线材补齐。
进一步的，打印的外壳的形状尺寸满足其可贴附在蜂窝状网格骨架上。
进一步的，所用熔融沉积成型机具有两个可相互独立运动的打印头，其中一个打印头内填充功能线材，另一个填充普通线材。
本发明中所指的普通线材，即指常规的用于FDM打印的PLA线材等。
相比于常规打印方法或常规打印出来的实体构件，本发明的改进点在于通过在传统实体中放置功能性骨架，使得构件能够呈现出更高的机械性能或具备传感能力，或二者兼得。
附图说明
图1为蜂窝状网格骨架的打印走线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中，HGCCST线材的获取可参考文献(Yanlong Tai,GillesLubineau.Smart Threads:Double-Twisted Conductive Smart Threads Comprising aHomogeneously and a Gradient-Coated Thread for Multidimensional FlexiblePressure-Sensing Devices(Adv.Funct.Mater.23/2016)[J].Advanced FunctionalMaterials,2016,26(23).)，HGCCST线材需对长度进行截取使之适合设备，并且需留意线材有无误差超过设备容许的上限的部分。绝缘层为本领域常用的电绝缘层，对此，可以考虑使用例如聚酯漆包线漆对碳纤维进行处理，方法与制备漆包线无异。
其余如无特别说明的原料或处理技术，则表明均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
本发明提供了一种使用带芯线材的熔融沉积成型方法，包括以下步骤：
(1)设计使用带芯线材的实体构件，将其分割为采用带芯线材的由若干并排的六边形单体组成的蜂窝状网格骨架，以及围在蜂窝状网格骨架外侧的外壳；
(2)骨架制备：
以功能线材与普通线材两种线材为原料，采用熔融沉积成型机逐层打印，每个单层的打印过程中，先使用功能线材以连续走线方式打印出由若干六边形单体组成的蜂窝状网格骨架，接着，采用普通线材填补六边形单体，使得六边形单体的每条边均由两根线材组成；
(3)实体构件制备：
以步骤(2)制备的蜂窝状网格骨架为基础，继续采用普通线材在蜂窝状网格骨架外侧打印出所述外壳，即完成。
在本发明的一种具体的实施方式中，所述功能线材为智能线材、增强线材和/或智能增强线材，其中，
智能线材包括智能芯材和包裹在芯材外的热塑性树脂，所述智能芯材包括HGCCST线芯，以及包裹在HGCCST线芯外的光固化树脂；
增强线材包括增强芯材，以及包裹在芯材外的热塑性树脂，所述增强芯材包括位于中心的碳纤维和包覆在碳纤维外的光固化树脂；
智能增强线材包括智能增强芯材和包裹在智能增强芯材外的热塑性树脂，其中，所述智能增强芯材包括由外表面涂覆有绝缘层的碳纤维和HGCCST线材交缠而成复合内芯，以及包裹复合内芯的光固化树脂。更具体的实施方式中，所述光固化树脂为PBU树脂。更具体的实施方式中，所述热塑性树脂为PLA、PVC或ABS。更具体的实施方式中，智能芯材、增强芯材和智能增强线材的总直径控制在380-420微米。更具体的实施方式中，当采用的功能线材为智能线材或者智能增强线材时，外壳上留出骨架引出线的空位。
在本发明的一种具体的实施方式中，熔融沉积成型机逐层打印蜂窝状网格骨架的过程中，层与层之间的打印功能线材的行走方向满足：每打印完一层，其方向变化120°。
更具体的实施方式中，功能线材打印过程中产生的六边形单元体的空位均采用普通线材补齐。
在本发明的一种具体的实施方式中，打印的外壳的形状尺寸满足其可贴附在蜂窝状网格骨架上。
在本发明的一种具体的实施方式中，所用熔融沉积成型机具有两个可相互独立运动的打印头，其中一个打印头内填充功能线材，另一个填充普通线材。
以上实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。
实施例1：
本实施例提供了一种使用带芯线材的熔融沉积成型方法，使用的原料包括普通的PLA熔融沉积成型线材(即普通线材)、功能线材(本实施例采用智能线材)，使用的设备为具有两个独立运动打印头的熔融沉积成型3D打印机，该方案的实施包括以下步骤：
步骤一、实体设计：由于功能线材价格昂贵，又具有独特的物理特性，在大部分时候不能简单地直接用于打印，因此先将一个本为实心的构件应当拆分为由多排六边形单体组成的蜂窝状网格骨架和外部包覆的填充实体(即外壳)。故为了以本方法得到实体构件，应首先对预备打印的形状进行分析，本实施例设计出实体中需要采用带芯线材的部分作为蜂窝状网格骨架。
步骤二、骨架制备：以功能线材和普通线材为原料，使用有着两个独立运动的打印头的熔融沉积成型机，两个打印头分别使用功能线材和普通线材。在单层的打印中，运用如图1中连续线的走线方法使用功能线材逐层打印为六边形单体网格的形式，然后采用如图1中间断的线段的走线方法打印普通线材。采用该种打印方法，其单个网格的六边形边长不能小于0.5cm。打印骨架过程中，普通线材主要作为补齐方式，保证每个六边形单体网格均由两根线材构成，以保证整个构件的整体支撑性。
步骤三、实体制备：以步骤二中打印的骨架为基础，运用熔融沉积成型方法，采用普通线材在骨架外打印出实体形状，最终获得具有特殊性质的结构实体。构件骨架的打印面应当与其外壳的打印面相垂直，否则当打印头经过网格上的开口时打印材料会塌陷。
本实施例中，逐层打印蜂窝状网格骨架的过程中，层与层之间的打印功能线材的行走方向满足：每打印完一层，其方向变化120°，参见图1中双向箭头变换方向。功能线材打印过程中产生的六边形单元体的空位均采用普通线材补齐。
本实施例中，功能线材与普通线材的尺寸相同或相近。
实施例2
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，功能线材改为采用增强线材。
实施例3
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，功能线材改为采用增强智能线材。
将上述实施例1-实施例3制得的实体构件与常规的仅采用普通线材成型的传统实体构件相比较，具体结果如下：
实施例1的实体构件与传统实体构件相比，同HGCCST线材一样，实施例1的智能线材也能完成压力感应并完成参数输出，这表明实施例1所制得的实体构件具有智能化构件的应用潜力。
而将实施例2的实体构件与传统实体构件相比，传统实体构件的平均拉伸强度仅为60-100MPa左右，而实施例2锁止的实体构件的平均拉伸强度均超过了10GPa，一般在12GPa左右，强度大大提高。
继续将实施例3的实体构件与传统实体构件相比，实施例3的实体构件不仅在强度上有着明显提升，一般在12GPa左右，同时，同HGCCST线材一样，其同样能完成压力感应并完成参数输出，这表明其在强度等力学性能与智能化程度上均有着提升改进。
(测试方法参考下述文献，Yanlong Tai,Gilles Lubineau.Smart Threads:Double-Twisted Conductive Smart Threads Comprising a Homogeneously and aGradient-Coated Thread for Multidimensional Flexible Pressure-Sensing Devices(Adv.Funct.Mater.23/2016)[J].Advanced Functional Materials,2016,26(23).)
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种使用带芯线材的熔融沉积成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设计使用带芯线材的实体构件，将其分割为采用带芯线材的由若干并排的六边形单体组成的蜂窝状网格骨架，以及围在蜂窝状网格骨架外侧的外壳；
(2)骨架制备：
以功能线材与普通线材两种线材为原料，采用熔融沉积成型机逐层打印，每个单层的打印过程中，先使用功能线材以连续走线方式打印出由若干六边形单体组成的蜂窝状网格骨架，接着，采用普通线材填补六边形单体，使得六边形单体的每条边均由两根线材组成；
(3)实体构件制备：
以步骤(2)制备的蜂窝状网格骨架为基础，继续采用普通线材在蜂窝状网格骨架外侧打印出所述外壳，即完成。
2.根据权利要求1所述的一种使用带芯线材的熔融沉积成型方法，其特征在于，所述功能线材为智能线材、增强线材和/或智能增强线材，其中，
智能线材包括智能芯材和包裹在芯材外的热塑性树脂，所述智能芯材包括HGCCST线芯，以及包裹在HGCCST线芯外的光固化树脂；
增强线材包括增强芯材，以及包裹在芯材外的热塑性树脂，所述增强芯材包括位于中心的碳纤维和包覆在碳纤维外的光固化树脂；
智能增强线材包括智能增强芯材和包裹在智能增强芯材外的热塑性树脂，其中，所述智能增强芯材包括由外表面涂覆有绝缘层的碳纤维和HGCCST线材交缠而成复合内芯，以及包裹复合内芯的光固化树脂。
3.根据权利要求2所述的一种使用带芯线材的熔融沉积成型方法，其特征在于，所述光固化树脂为PBU树脂。
4.根据权利要求2所述的一种使用带芯线材的熔融沉积成型方法，其特征在于，所述热塑性树脂为PLA、PVC或ABS。
5.根据权利要求2所述的一种使用带芯线材的熔融沉积成型方法，其特征在于，智能芯材、增强芯材和智能增强线材的总直径控制在380-420微米。
6.根据权利要求2所述的一种使用带芯线材的熔融沉积成型方法，其特征在于，当采用的功能线材为智能线材或者智能增强线材时，外壳上留出骨架引出线的空位。
7.根据权利要求1所述的一种使用带芯线材的熔融沉积成型方法，其特征在于，熔融沉积成型机逐层打印蜂窝状网格骨架的过程中，层与层之间的打印功能线材的行走方向满足：每打印完一层，其方向变化120°。
8.根据权利要求7所述的一种使用带芯线材的熔融沉积成型方法，其特征在于，功能线材打印过程中产生的六边形单元体的空位均采用普通线材补齐。
9.根据权利要求1所述的一种使用带芯线材的熔融沉积成型方法，其特征在于，打印的外壳的形状尺寸满足其可贴附在蜂窝状网格骨架上。
10.根据权利要求1所述的一种使用带芯线材的熔融沉积成型方法，其特征在于，所用熔融沉积成型机具有两个可相互独立运动的打印头，其中一个打印头内填充功能线材，另一个填充普通线材。
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