CN111319252A - 一种3d打印结构、制作方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于3D打印技术领域，公开了一种3D打印结构及其制作方法，在打印件的层与层之间铺设纤维网，纤维网至少一侧超出打印层的宽度并与打印层材料紧密结合在一起，超出打印层部分的纤维网能够垂下覆盖到纤维网铺设的打印层，并与该打印层的其下打印层铺设的纤维网有适当搭接量；再进行的碾压处理，使得伸出打印件以外的纤维网与打印件的内、外表面紧密结合在一起。本发明使得3D打印结构中纤维在打印体的长、宽、高三个维度形成了有序的三维立体网格连接分布，从而极大的提高了3D打印体在X、Y方向的结合强度，而且还大大提高层间Z方向的结合质量、强度，其整体的刚度、韧性与结合质量也得到大幅提升。

Description

一种3D打印结构、制作方法及应用

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及一种3D打印结构、制作方法及应用。

背景技术

目前，最接近的现有技术：3D打印应用已越来越多，但是，其在应用过程中还是存在许多问题，特别是在非金属材料的3D打印中普遍存在着层间结合力差、强度低、表面凸凹不平、耐冲击性能差、整体致密性不好等问题。对于一些大型3D打印，特别是现在正在兴起的3D打印建筑，尽管很多机构为了提高层间结合力，在打印材料中添加了短纤维，希望通过打印体基体材料与分散的纤维的结合强度来提高整体性能，但由于短纤维的无序式分布，且纤维与基体材料结合力有限，该方法对于强度的提高非常有限。

此外，还有采用长纤维结合到3D打印中的方式，但其也只是解决了打印体打印长度方向的强度与韧性的问题，对于打印件的层间结合，或者打印体宽度方向的结合强度的提高没有任何促进作用，打印件有些还是存在明显的分层等现象，这就导致打印体的刚度差、抗震性差等问题。

针对上述现象，有些专利还提到了在其表面粘贴一层纤维网以提高层间结合力，但这种办法就也存在纤维网整层剥落等问题，对于3D打印件本体强度提升有限。

综上所述，现有技术存在的主要问题是：层与层之间结合力差。层间致密性不高。内外表面粗糙不平。

对于非金属3D打印结构，普遍存在材料的强度较低、有些还存在塑性、韧性差等问题，使得打印体的抗剪性差，整体抗冲击差。

现有的玻璃钢结构采用玻璃纤维与树脂的复合，生产环境差。此外，玻璃钢也不能回收再利用。

玻璃钢结构重量较重，树脂韧性差，对于损伤的容忍性差。

像墙体类打印件其相邻道之间的结合强度差，且其结合质量难以检验(目前国内大多数采用一道厚度很大的打印，材料浪费较大)。

解决上述技术问题的难度：由于3D打印是一种增材制造技术，在打印过程中依靠的就是一层层堆积来完成所打印产品：对于高分子材料基本都是采用熔敷方式实现，即新的堆积材料加热到熔融状态，然后堆积到前一层已经凝固的材料或者原始基底上，熔融的材料在重力的作用下必然存在往下的运动，这就使得熔融层的中部必然存在鼓起的现象，形成了表面的凸凹不平。此外，由于3D打印时只是将熔融的材料堆积在已经凝固的打印层上，其未将已凝固层重新融化，因此，极易存在层间融合不良等缺陷。

而对于3D打印建筑，则是新的水泥混凝土的堆积到已凝固一定程度、具有一定强度的混凝土上，因此，其层间的结合质量也难以得到保障。此外，对于3D打印建筑，普遍都存在墙面开裂问题，现有解决方法是当墙体建成后在其表面粘贴一层玻璃纤维网，这也增加了生产工序且所粘贴纤维网也存在容易剥落的问题。

解决上述技术问题的意义：由于上述困难的存在，导致3D打印目前绝大多数只能进行一些模型等小型物品的打印，难以保质保量的实现真正的大规模工业化生产。而本发明从根本上解决了层与层间的结合问题，极大的提高了打印体整体强度与抗冲击性能，使得3D打印大规模工业化应用成为可能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种3D打印结构、制作方法及应用。

本发明是这样实现的，一种3D打印结构，铺设有上层纤维网，所述上层纤维网至少一侧超出上层打印层的宽度并与打印层材料紧密结合在一起；上层纤维网超出上层打印层的垂下部分覆盖位于上层打印层下面的下层打印层，并与下层打印层下面铺设的下层纤维网搭接。形成具有一定高度的搭接部分，如对于高分子材料的打印件，其搭接部分高度可以是一层打印层的厚度。

进一步，针对所打印结构的应力、结构等的不同，可以采用在具体部位铺设不同层数、网孔尺寸、纤维网的纤维粗细及材质的纤维网，如：在应力最大的区域可以在层间铺设多层碳纤维网(或者网孔致密的多层玻璃纤维网，如孔径3*3)，而在应力较大的区域铺设一层碳纤维网(或者多层普通玻璃纤维网，如孔径10*10)，而一般区域可以只铺设一层普通玻璃纤维网(如孔径10*10)。通过这样不同的纤维网的结构安排，而不是整体都采用碳纤维网的结构，从而实现以最小的成本满足打印件的强度要求。针对具体结构应该通过精确计算与试验再来确认具体铺设安排。

进一步，打印层的上表面通过压槽处理有凹槽，使得相接的打印件的层与层之间从平面结合方式转换为榫卯结合方式。

进一步，纤维网压制在凹槽内成凹槽形状。

进一步，纤维网探出打印层的内、外表面的部分通过进行内外表面碾压处理，使得纤维网探出部分与打印件的内、外表面紧密结合在一起。

进一步，碾压完毕后，在打印件的表面涂装表面强化物质层，该表面强化物质层包括水泥浆、树脂、沥青、腻子、胶水粘性物质以及通过火焰、等离子体喷涂的表面处理材料中的一种；表面处理材料为金属Zn、Ti、Au、Ag以及化合物SiC、TiC表面装饰或者强化物质层中的一种。

本发明的另一目的在于提供一种3D打印结构的制作方法，所述3D打印结构的制作方法包括：

(1)在待打印部位铺设纤维网；

(2)3D打印一层或者数层；

(3)在已打印位置的上表面铺设纤维网，纤维网铺设时至少要超出打印层的内、外表面的一侧，以使纤维网能够垂下并覆盖部分打印层高度，伸出长度至少能够与其前一次铺设的纤维网有搭接；

(4)铺设好纤维网后对打印层的上表面进行压槽处理，使得打印体的层与层之间从平面结合方式变成榫卯结合方式，在压槽过程中同时将纤维网也压入槽内，使得纤维网在打印体内也成有序的三维布局；

(5)对内、外表面进行碾压处理，使得伸出打印件以外的纤维网与打印件的内、外表面紧密结合在一起，并通过碾压使得打印件的内外表面压实；

(6)重复以上步骤直至打印完成。

进一步，步骤(3)中，所述纤维网的铺设与3D打印同时进行；

步骤(5)中，对内外表面进行碾压处理时，碾压后表面处理成凸凹相间表面，以提高后期处理的表面附着能力；所述表面涂装的物质可在打印过程中进行或打印结束后再进行处理；

步骤(6)后还需进行：

(7)在打印层的内、外表面进行表面涂装处理；

(8)平整表面。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述3D打印结构及制作方法制作的3D打印抗震建筑、船体、飞机、雕塑、风机叶片、游艇等产品。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明用试验片进行测试，当碳纤维与热塑性树脂聚乳酸的组合使用时、体积纤维的占有率为6.6％，拉伸强度达到200MPa，比没有添加纤维的基体强度增加了6倍。弹性模量达到20GMPa，增加了4倍。由此可以看出，通过本发明的应用可以大幅提高打印体的强度、韧性、弹性模量等机械性能。

本发明采用纤维网间隔铺设在打印层之间的结构，使纤维网与打印结构融为一体，不但在打印长度方向采用了长丝纤维，而且，本发明独创性的在宽度方向也同时采用了长丝纤维(因为我们使用的是纤维网)，且通过压槽处理以及纤维网两侧下垂搭接将所有打印体连接在一起，使得本发明中的纤维网与打印材料能够更好地融为一体，形成有序三维网格状分布结构，使得打印件在宽度以及高度方向也得到了强度的保证。其与现有技术在打印材料中加入短纤维、在打印件表面贴敷纤维以及长纤维融入打印体中相比，全方位的提高了打印体的质量、强度与抗震性能，特别是对于打印体的致密性、外表面强度、表面抗裂性、抗脱落性、层间结合强度、疲劳强度、韧性以及层间结合质量的提升更加显著。

附图说明

图1是本发明实施例提供的3D打印结构的制作方法流程图。

图2是本发明实施例提供的3D打印结构的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的纤维网的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的类似榫卯结构的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的搭接部分的结构示意图；

图中：11、粘性物质层；12、上层纤维网；13、上层打印层；14、下层纤维网；15、下层打印层；16、搭接部分。

图6是本发明实施例提供的纤维网卷图。

图7是本发明实施例提供的采用纤维网铺设结构的3D打印船体模型。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有的3D打印方式使得打印件的层间结合，或者打印体宽度方向的结合强度低，导致打印体的刚度差、抗震性差等问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种3D打印结构及其制作方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的3D打印结构的制作方法包括：

S101：在待打印部位铺设纤维网。

S102：3D打印一层或者数层。

S103：在已打印位置的上表面铺设纤维网，纤维网铺设时至少要超出打印层的内、外表面的一侧，以使纤维网能够垂下并覆盖部分打印层高度，其伸出长度至少能够与其前一次铺设的纤维网有适当搭接。

S104：铺设好纤维网后可以对上表面进行压槽处理，使得打印体的层与层之间从平面结合方式变成榫卯结合方式，在压槽过程中同时将纤维网也压入槽内成凹槽形状，使得纤维网在打印体内也成三维布局。

S105：对内、外表面进行碾压处理，使得伸出打印件以外的纤维网与打印件的内、外表面紧密结合在一起，并通过碾压使得打印件的内外表面压实。

S106：重复以上步骤直至打印完成。

S107：在打印层的内、外表面涂装一层粘性物质。

S108：平整表面。

在本发明实施例中，纤维网的铺设还可与3D打印同时进行。

在本发明实施例中，所述粘性物质的涂装在打印过程中进行或打印结束后再进行涂装。

如图2至图5所示，本发明实施例提供的3D打印结构包括：表面物质层11、上层纤维网12、上层打印层13、下层纤维网14、下层打印层15、搭接部分16。

在上层打印层13的上表面铺设上层纤维网12，上层纤维网12至少一侧超出上层打印层13的宽度并与打印层材料紧密结合在一起，使上层纤维网12能够垂下不但覆盖到上层打印层13，而且还要覆盖到下层打印层15，并与上层打印层13铺设的上层纤维网14有适当搭接量，所述搭接量为具有一定高度的搭接部分16，如对于高分子材料的打印件，其搭接部分16高度可以是一层打印层的厚度。对于有些结构，纤维网还可设计成覆盖更多的层、纤维网孔更小、纤维网的材料强度更高等手段以增强这些结构的强度。铺设好纤维网后可以对上表面进行压槽处理，见图4，使得打印体的层与层之间从平面结合方式变成榫卯结合方式，在压槽过程中将纤维网也压入槽内，不但提高了3D打印体X、Y方向的结合强度，而且还大大提高层间Z方向的结合强度、刚度、韧性与结合质量。此外，本发明还对内、外表面进行碾压处理，使得伸出打印件以外的纤维网与打印件的内、外表面紧密结合在一起，并通过碾压工艺使得打印件的内外表面压实。碾压完毕后，在打印件的表面还可以涂装一层表面强化物质层11以封闭、强化和美化打印表面，该表面强化物质层11可以是水泥浆、树脂、沥青、腻子、胶水等粘性物质甚至是可通过火焰、等离子体喷涂的表面处理材料。

图6是本发明实施例提供的纤维网卷图。

图7是本发明实施例提供的采用纤维网铺设结构的3D打印船体模型。

下面结合具体分析及积极效果对本发明作进一步描述。

本发明借鉴了以玻璃纤维毡为增强骨架的复合材料GMT的结构特点，GMT是一种以热塑性树脂为基体，以玻璃纤维毡为增强骨架的复合材料。一般可以生产出片材半成品，然后直接加工成所需要的形状的产品。纤维可以是短切玻璃纤维或连续的玻璃纤维毡，热塑性树脂可以是通用塑料，工程塑料或高性能塑料。

GMT材料的应用具有以下优点：

1、它的力学性能好，成型周期短，生产成本低，可模制较大的、形状复杂的部件且尺寸稳定性好，选用按所要求尺寸预先切好的GMT，就有可能达到50-300N/mm2范围内的强度，模压好的GMT部件几乎是各向同性的；

2、最终产品没有焊缝，而且可回收利用，这使得它受到汽车界的极大关注。现在欧洲汽车工业越来越倾向于使用GMT，利用它来生产前端部件、座椅壳体、发动机隔噪罩、保险杠、仪表板托架等部件。

3、比强度高；GMT的强度和手糊聚酯玻璃钢结构相似,其密度为1.01-1.19g/cm，比热固性玻璃钢(1.8-2.0g/cm)小，因此，它具有更高的比强度。

4、轻量化、节能；用GMT材料做的汽车门自重可从26Kg降到15Kg，并可减少背部厚度，使汽车空间增大,能耗仅为钢结构的60-80％，铝结构的35-50％。

5、与热固性SMC(片状模塑料)相比，具有成型周期短、冲击性能好，可再生利用和储存周期长等优点。

6、冲击性能：GMT的吸收冲击的能力比SMC高2.5-3倍,在冲击力作用下，SMC、钢和铝均出现凹痕或裂纹，而GMT却安然无恙。

7、高刚性：GMT里含有GF织物、即使有10mph的冲击碰撞，仍能保持形状。

而本发明所采用的的结构特点，当采用热塑性材料与纤维网的复合3D打印结构也与GMT所用材料相类似，因此，本发明所形成的产品必将具有和GMT相类似的性能特点，而且，本发明所采用的的3D打印技术，将传统GMT的先生产出片材半成品，然后直接加工成所需要的形状的产品的生产工艺以及结构特点都做出了革命性的变革：

首先，通过本发明技术，本发明在层间都铺设纤维网，这与GMT的玻璃纤维毡相类似，但本发明可以直接成型最终所需形状的产品。

其次，本发明将层与层之间铺设的纤维网压成凹槽形状，且纤维网在打印体外表面下垂并与前层有搭接，使得该3D打印结构在高度方向也具备GMT的结构形式，因此，采用该打印结构的整体都拥有GMT所具有的所有优点。

再者，与GMT相比，本发明的纤维网的型号规格、层数、材质等都可根据结构的实际情况进行选择，这是GMT所完全不具备的特点。

下面结合积极效果对本发明作进一步描述。

本发明在3D打印过程中，根据需要，在打印件的层与层之间铺设不同规格、层数以及材质的纤维网，纤维网至少一侧超出打印层的宽度并与打印层材料紧密结合在一起，超出打印层部分的纤维网能够垂下覆盖到纤维网铺设的打印层，并与该打印层的其下打印层铺设的纤维网有适当搭接量，再通过对内、外表面进行的碾压处理，使得伸出打印件以外的纤维网与打印件的内、外表面紧密结合在一起。此外，还可以对打印层的上表面进行压槽处理，使其上表面形成凹槽，在此同时将纤维网也压入槽内，使得打印体的层与层之间从简单的平面结合方式改变为类似榫卯形式的结合方式，大大改善了层与层之间的结合质量与结合强度，而且纤维网的分布不但在水平方向形成网格连接，同时也在高度方向形成了网格连接方式(内外表面垂下的纤维网搭接加上内部的槽型结构，形成类似GMT的结构特点)，使得纤维网在打印体内形成有序的三维立体分布，这种连接方式不但极大的提高了3D打印体在X、Y方向的结合强度，而且还大大提高层间Z方向的结合强度，其整体的刚度、韧性与结合质量也得到大幅提升。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种3D打印结构，其特征在于，所述3D打印结构铺设有上层纤维网，所述上层纤维网至少一侧超出上层打印层的宽度并与打印层材料紧密结合在一起；上层纤维网超出上层打印层的垂下部分覆盖位于上层打印层下面的下层打印层，并与下层打印层下面铺设的下层纤维网搭接。

2.如权利要求1所述的3D打印结构，其特征在于，所述纤维网在具体部位选择铺设不同层数、不同网孔尺寸、不同纤维粗细及材质；在应力最大的区域在层间铺设多层碳纤维网，在应力较大的区域铺设一层碳纤维网，在一般区域只铺设一层玻璃纤维网。

3.如权利要求1所述的3D打印结构，其特征在于，打印层的上表面通过压槽处理有凹槽，使相接的打印件的层与层之间从平面结合方式转换为榫卯结合方式。

4.如权利要求3所述的3D打印结构，其特征在于，纤维网被压制在凹槽内成凹槽形状。

5.如权利要求3所述的3D打印结构，其特征在于，纤维网探出打印层的内、外表面的部分通过进行内外表面碾压处理，使得纤维网探出部分与打印件的内、外表面紧密结合在一起。

6.如权利要求5所述的3D打印结构，其特征在于，碾压完毕后，在打印件的表面涂装表面强化物质层，该表面强化物质层包括水泥浆、树脂、沥青、腻子、胶水粘性物质以及通过火焰、等离子体喷涂的表面处理材料中的一种；表面处理材料为金属Zn、Ti、Au、Ag以及化合物SiC、TiC等表面装饰或者强化物质层中的一种。

7.一种3D打印结构的制作方法，其特征在于，所述3D打印结构的制作方法包括：

(1)在待打印部位铺设纤维网；

(2)3D打印一层或者数层；

(3)在已打印位置的上表面铺设纤维网，纤维网铺设时至少要超出打印层的内、外表面的一侧，使纤维网能够垂下并覆盖部分打印层高度，伸出长度至少能与前一次铺设的纤维网有搭接；

(4)铺设好纤维网后对打印层的上表面进行压槽处理，使得打印体的层与层之间从平面结合方式变成榫卯结合方式，在压槽过程中同时将纤维网压入槽内，使得纤维网在打印体内成有序的三维布局；

(5)对内、外表面进行碾压处理，使得伸出打印件以外的纤维网与打印件的内、外表面紧密结合在一起，并通过碾压使得打印件的内外表面压实；

(6)重复以上步骤直至打印完成。

8.如权利要求8所述的3D打印结构的制作方法，其特征在于，步骤(3)中，所述纤维网的铺设与3D打印同时进行；

步骤(5)中，对内外表面进行碾压处理时，碾压后表面可处理成凸凹相间表面；所述表面涂装的物质在打印过程中进行或打印结束后再进行处理；

步骤(6)后还需进行：

(7)在打印层的内、外表面进行表面涂装处理；

(8)平整表面。

9.一种利用权利要求1-6任意一项所述3D打印结构制作的3D打印建筑、船体、飞机、雕塑、风机叶片、游艇产品。

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