CN111958752A - 同轴螺旋结构增强复合材料的3d打印系统及加工方法 - Google Patents

同轴螺旋结构增强复合材料的3d打印系统及加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种同轴螺旋结构增强复合材料的3D打印系统及加工方法，用于解决工程支撑部件的抗压稳定性及抗弯折的问题。具体该系统部分包括：三维成型制造模块用以按照两个不同的预设旋转方向输出基质材料和交联材料，以使所述基质材料和所述交联材料构造出具有同轴的、且一体成型的第一打印体和第二打印体；以及计算机控制模块和可控气压输出系统。方法部分包括：材料制备，在编程材料进给模块配置基质材料和交联材料，同轴螺旋结构增材制造以及后处理步骤。可实现复合材料内增强相不连续纤维的同轴螺旋排列，进而协同增强材料的抗压和抗弯特性，提升工程应用的适用范围。

Description

同轴螺旋结构增强复合材料的3D打印系统及加工方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种同轴螺旋结构增强复合材料的3D打印系统及加工方法。
背景技术
现行趋势下，风力发电系统、建筑单元系统等基础建设设施，需要配备的支撑结构在其自身领域的关键要求包括：第一、系统构件的设施重点部位在结构和材料选择上需要具备抗压性和稳定性；第二、系统构件需要具有在预定范围内的抗弯折特性；而既有支撑结构中往往难以有效应对上述要求，可总结为：无法有效应对复杂载荷环境。
反观自然界中，生物材料及组织构造有效解决了这一矛盾问题，能够实现抗压、抗弯、抗扭曲、抗剪切的复杂特性的完美结合。在此，以灵长类动物骨骼作为生物材料及组织构造为例，其特点为具有高的强度、能够有效地承受自身重量和外部施力，结合附属组织后还具备较好的韧性；另外，既有树木、竹类植物同属于典型高强高韧生物复合材料，两者均是集成高比强度、比刚度与韧性等优异性能于一体的天然复合材料，可作为抗压及抗弯协同增效材料设计的仿生模本。经过既有技术研究表明，上述典型的生物结构材料具有一些共性：它们都是天然多级复合材料，高度有序的增强相纤维以一种同轴螺旋结构有效包裹在矿化或有机物基质中，在此可概括为同轴螺旋结构增强复合材料。
现有技术中，即使自然界的同轴螺旋结构材料为新型材料的设计提供新思路，但受到设计手段与制造工艺的限制，导致面向抗压与抗弯特性协同优化的材料结构创新与制造技术长期处于探索阶段，不能进行实际的工程应用。
发明内容
针对现有技术中缺乏将生物启发抗压抗弯仿生复合材料工程化的技术手段，本发明提供了一种同轴螺旋结构增强复合材料的3D打印系统及加工方法。首先是一种同轴螺旋结构增强复合材料的3D打印系统，再次，提供一种同轴螺旋结构增强复合材料的3D打印的加工方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
同轴螺旋结构增强复合材料的3D打印系统，其特征在于，包括：
三维成型制造模块，其用以按照两个不同的预设旋转方向输出基质材料和交联材料，以使所述基质材料和所述交联材料构造出具有同轴的、且一体成型的第一打印体和第二打印体；
编程材料进给模块，其用以向所述三维成型制造模块分别输送所述基质材料和所述交联材料；
计算机控制模块，其基于一固化程序用以构建可打印的模型，并将所述可打印的模型的结构特征以三维运动代码的方式传送至所述三维成型制造模块，以使所述三维成型制造模块能够获得输出所述第一打印体和所述第二打印体的打印轨迹；
可控气压输出系统，其用以提供输出气源以控制在构造所述第一打印体和第二打印体时消耗所述基质材料或者所述交联材料的输出量。
进一步地，所述三维成型制造模块包括：
料筒部件，其设置在一打印空间内，并相对于该打印空间能够转动；
同步挤出部，设置在所述料筒部件的第二端；
所述同步挤出部包括：
第一挤出部；
第二挤出部，设置在所述第二挤出部的内部，且所述第一挤出部的高度小于所述第二挤出部的高度，以使所述第一挤出部的第二端与所述第二挤出部的第二端连通时，构造出连通区；
所述第一挤出部与所述第二挤出部向所述连通区的方向逐渐缩进，且变化趋势相同。
进一步地，所述料筒部件包括：
可旋转的交联材料旋转挤出筒和可旋转的基质材料旋转挤出筒；
所述交联材料旋转挤出筒位于所述可旋转的基质材料旋转挤出筒的内部；
所述交联材料旋转挤出筒与所述第一挤出部连接；
所述基质材料旋转挤出筒与所述第二挤出部连接。
进一步地，所述交联材料旋转挤出筒与所述可旋转的基质材料旋转挤出筒、所述第一挤出部、第二挤出部具有相同的轴线。
进一步地，还包括有：
基质材料控制旋转部，其第一端连接在一预设的安装位上，并相对于所述预设的安装位，所述基质材料控制旋转部可绕自身轴线顺时针或者逆时针旋转；
所述基质材料控制旋转部与所述基质材料旋转挤出筒的第一端固定连接、且所述基质材料控制旋转部与所述基质材料旋转挤出筒连通；
交联材料控制旋转部，其第一端连接在所述预设的安装位上，并相对于所述预设的安装位，所述交联材料控制旋转部可绕所述基质材料控制旋转部的轴线针旋转或者顺时针逆时；
所述交联材料控制旋转部与所述交联材料旋转挤出筒的第一端固定连接、且所述交联材料控制旋转部与所述交联材料旋转挤出筒连通。
进一步地，所述基质材料控制旋转部由一在所述预设的安装位上的驱动组件驱动其绕自身轴线转动；
所述交联材料控制旋转部设置在所述基质材料控制旋转部内，且所述交联材料控制旋转部与所述基质材料控制旋转部能够传动连接；
当所述驱动组件驱动控制所述基质材料控制旋转部时，所述交联材料控制旋转部与所述基质材料控制旋转部在转动时能够形成相反的转动方向，且所述交联材料控制旋转部与所述基质材料控制旋转部在两者的第二端部分具有能够保持一预设滑动间隙。
进一步地，所述编程材料进给模块包括：
两组进料单元，分别用以贮存、搅拌基质材料和交联材料；
第一进料部，用以将贮存有基质材料的一组进料单元输送至所述预设的安装位上，以使基质材料可到达所述基质材料控制旋转部；
第二进料部，用以将贮存有交联材料的另一组进料单元输送至所述预设的安装位上，以使交联材料可到达所述交联材料控制旋转部；
所述进料单元包括：
储料罐，其设置有出料口，用以连接所述第一进料部或者所述第二进料部；
搅拌装置，其集成在所述储料罐上。
进一步地，所述可控气压输出系统包括：
气源设备，其能够产生可调节流量的所述输出气源；
气源接入部，其一端连接至所述气源设备，其另一端能够连
通至所述基质/交联材料控制旋转部。
进一步地，所述计算机控制模块，包括：
增材组件，其用以提供所述打印空间以及为所述三维成型制造模块提供可移动的三坐标参数；
预定义模块，其用以设定一体成型的第一打印体和第二打印体的外形参数以及在构造第一打印体和第二打印体时的气源参数；
所述固化程序基于三坐标参数、外形参数和气源参数向一执行模块输出打印信息。
另外地说明，同轴螺旋结构增强复合材料的加工方法，包括：
S101，材料制备，在编程材料进给模块配置基质材料和交联材料；
交联材料配置，1.5～9wt.％的氯化钙粉末溶解在91～98.5wt.％去离子水配制成氯化钙溶液；
基质材料配置，45～56wt.％陶瓷粉末、4.3～9wt.％增强纤维及39～55wt.％海藻酸钠溶液；
其中，所述陶瓷粉末由Al2O3、Si3N4、SiC中的一种或多种陶瓷粉末组成；
其中，所述增强纤维由碳纤维、玻璃纤维、Al2O3纤维、SiC晶须中的一种或多种组成；
其中，所述海藻酸钠溶液是将1.5～9wt.％的海藻酸钠粉末及1.2～3.6wt.％的气相二氧化硅溶解在86～96wt.％去离子水中配制成海藻酸钠溶液，然后混合均匀制备而成；
将陶瓷粉末与增强纤维分三次加入到海藻酸钠溶液中，均匀搅拌后真空脱气2h，备用；
S102，同轴螺旋结构增材制造，具体包括：
第一步，三维模型的构建基于抗压及抗弯仿生复合材料预定义的几何模型和内部同轴螺旋结构纤维分布模式，建立一三维模型，随后对三维模型进行离散化处理；
第二步，同轴螺旋结构运动编程基于仿生复合材料模型中特征结构的结构参数，确定3D打印系统中的三维成型制造模块的三维运动代码及同步挤出部的运动轨迹、同步反向双旋转输料筒的转向及转动速度、编程材料进给模块的材料输送速度及可控气压输出系统的气源压力给定时间及大小。
第三步，将交联材料及基质材料分别加入到编程材料进给模块的储料罐中，均匀转动搅拌装置防止材料下降沉淀，然后通过第一进料部、第二进料部将交联材料及基质材料均匀输送至交联材料旋转挤出筒及基质材料旋转挤出筒内。
第四步，同轴螺旋结构成形，利用按照步骤2中获得同步反向双旋转输料筒的转向及转动速度，驱动基质材料控制旋转部和交联材料控制旋转部，促使交联材料旋转挤出筒及基质材料旋转挤出筒以一预设速度相对地反向旋转；
所述预设速度为0.1-3rad/s；而基质材料内增强相受交联材料旋转挤出筒外壁及基质材料控制旋转部内壁反向剪切作用，并在可控气压输出系统的气源推送，引导基质材料旋转挤出筒内的增强相材料由外向内呈现螺旋排列。
第五步，交联固化成型，根据获取的可控气压输出系统的气源压力给定时间及大小定量控制基质材料与交联材料的挤出，其中基质材料挤出速度定义为V，单位mm/s；
其中，V≥3mm/s，交联材料的的挤出速度范围为2.5-5mm/s；
同步挤出部中交联材料与基质材料直接接触，交联材料沿基材料径向扩散，与基质材料发生轻度交联固化反应，最后从同步挤出部挤出，构造出一体成型的第一打印体和第二打印体，并沉积在一成型平台上。
S103，后处理步骤，将打印成型的同轴螺旋结构增强仿生复合材料三维样件置于氯化钙溶液内0.5h-3h；
通过置于一真空烧结炉内，以1-3℃/min加热速度加热到490-600℃，保温2-4h，进一步以2-10℃/min的加热速度加热到1650-1870℃，保温1.5-6h；最后，冷却至室温，取出。
本发明具有以下的有益效果：
第一方面，可实现复合材料内增强相不连续纤维的同轴螺旋排列，进而协同增强材料的抗压和抗弯特性。
第二方面，实现了打印过程中打印丝材中空结构的成型，而且有助于诱导复合丝材内部增强相纤维沿轴向呈现同轴螺旋对齐排列方式。所得打印样件在实现轻质、高强等优越性能同时，也大幅度协同提高了样件特定方向的抗压和抗弯特性。因此，本发明在机械、风力发电、建筑、组织工程等领域具有巨大的应用潜力。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的系统配置示意图；
图2为本发明同轴挤出部的结构示意图；
图3为本发明第一打印体和第二打印体形成截面构造示意图；
图4为本发明同轴螺旋结构增强复合材料单道结构示意图；
图5为本发明基质材料控制旋转部和交联材料控制旋转部的结构示意图；
图6为基质材料控制旋转部的连接件结构示意图。
图中的附图标记表示为：
三维成型制造模块10、编程材料进给模块20、计算机控制模块30、可控气压输出系统40、料筒部件101、同步挤出部110；
第一挤出部11、第二挤出部12、连通区122；
第一打印体1、第二打印体2；
基质材料100、交联材料200；
交联材料旋转挤出筒111、基质材料旋转挤出筒112；
基质材料控制旋转部140、交联材料控制旋转部150；
驱动组件50；
进料单元230、第一进料部210、第二进料部220、储料罐231、搅拌装置232、气源设备410、气源接入部417；
增材组件310、预定义模块320、执行模块330；
环状结构501、连接件5011、腔体502、基质台体503；
筒状结构601、交联台体603、连接空间602；
安装台510、轴承520；
第一齿形部610、第二齿形部620、第三齿形部630、中间传动齿轮件640；
驱动电机51、驱动主齿轮52。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；需要说明的是，本申请中为了便于描述，以当前视图中“左侧”为“第一端”，“右侧”为“第二端”，“上侧”为“第一端”，“下侧”为“第二端”，如此描述的目的在于清楚的表达该技术方案，不应当理解为对本申请技术方案的不当限定。
本发明要解决现有技术中的没有提出针对同轴螺旋结构构造防骨单元在实际的工程应用时缺乏有效地技术手段的技术问题，具体的技术方案请参阅图1所示，该同轴螺旋结构增强复合材料的3D打印系统，包括：三维成型制造模块10，其用以按照两个不同的预设旋转方向输出基质材料100和交联材料200，以使基质材料100和交联材料200构造出具有同轴的、且一体成型的第一打印体1和第二打印体2；仿骨单元，即本申请所声称的同轴螺旋结构，需要由上述两种材料共同构造，相当于第一打印体1和第二打印体2对应两种材料融合后组成的结构，通过构造出螺旋线的方式，去构造同轴螺旋，达到构造出仿骨结构的目的，而实现的方式在于两个不同的预设转向不断地通过3D打印打印堆积成型。编程材料进给模块20，其用以向三维成型制造模块10分别输送基质材料100和交联材料200；计算机控制模块30，其基于一固化程序用以构建可打印的模型，并将可打印的模型的结构特征以三维运动代码的方式传送至三维成型制造模块10，以使三维成型制造模块10能够获得输出第一打印体1和第二打印体2的打印轨迹；可控气压输出系统40，其用以提供输出气源以控制在构造第一打印体1和第二打印体2时消耗基质材料100或者交联材料200的输出量；通过上述技术手段，可有效地构造出仿骨单元结构，并结合气源控制输出压力以辅助构造仿骨单元，最终使得仿骨单元具有同轴螺旋结构，第一打印体1和第二打印体2构造出的仿骨单元能够依据模型参数的设定而造型出入附图4中所述的构造。
在一个具体的实施方式中，为了实现本申请的技术方案，请参阅图1、2所示，三维成型制造模块10包括：料筒部件101，其设置在一打印空间内，并相对于该打印空间能够转动；同步挤出部110，设置在料筒部件101的第二端；同步挤出部110包括：第一挤出部11；第二挤出部12，设置在第二挤出部11的内部，且第一挤出部11的高度小于第二挤出部12的高度，以使第一挤出部11的第二端与第二挤出部12的第二端连通时，构造出连通区122；第一挤出部11与第二挤出部12向连通区122的方向逐渐缩进，且变化趋势相同；在这里说明打印空间实质利用现有增材设备的工作空间，因此，不在赘述。
请参阅图1-3所示，料筒部件101包括：可旋转的交联材料旋转挤出筒111和可旋转的基质材料旋转挤出筒112；交联材料旋转挤出筒111位于可旋转的基质材料旋转挤出筒112的内部；交联材料旋转挤出筒111与第一挤出部11连接；基质材料旋转挤出筒112与第二挤出部12连接。
请参阅图1-3所示，交联材料旋转挤出筒111与可旋转的基质材料旋转挤出筒112、第一挤出部11、第二挤出部12具有相同的轴线。
请参阅图1所示，还包括有：基质材料控制旋转部140，其第一端连接在一预设的安装位上，并相对于预设的安装位，基质材料控制旋转部140可绕自身轴线顺时针或者逆时针旋转；基质材料控制旋转部140与基质材料旋转挤出筒112的第一端固定连接、且基质材料控制旋转部140与基质材料旋转挤出筒112连通；交联材料控制旋转部150，其第一端连接在预设的安装位上，并相对于预设的安装位，交联材料控制旋转部150可绕基质材料控制旋转部140的轴线针旋转或者顺时针逆时；交联材料控制旋转部150与交联材料旋转挤出筒111的第一端固定连接、且交联材料控制旋转部150与交联材料旋转挤出筒111连通；预设的安装位，具体指现有增材设备的三坐标，即X轴、Y轴、Z轴的基本应用功能。
另外，基质材料控制旋转部140由一在预设的安装位上的驱动组件50驱动其绕自身轴线转动；交联材料控制旋转部150设置在基质材料控制旋转部140内，且交联材料控制旋转部150与基质材料控制旋转部140能够部传动连接；当驱动组件50驱动控制基质材料控制旋转部140时，交联材料控制旋转部150与基质材料控制旋转部140在转动时能够形成相反的转动方向、且交联材料控制旋转部150与基质材料控制旋转部140在两者的第二端部分具有能够保持一预设滑动间隙。
请参阅附图1、2、5所示，以提出具体的基质材料控制旋转部140、交联材料控制旋转部150、驱动组件50的一个更为具体的实施方式，需要说明的是，在此处给出的实施方式是一个更为具象的实施例、是可实施本申请技术方案的一个应用，显而易见地，通过本申请的技术核心思路，即使构造出相似的结构部件，其功能如与本申请的构思相同，也应当属于本申请的保护范围；
具体，参阅附图5、6，提出如下技术方案；
基质材料控制旋转部140，包括：
环状结构501，该环状结构由连接件5011连接，以使环状结构构成腔体502；
基质台体503，其为环状结构501的一部分，构造在基质材料控制旋转部140的第一端；
其中，基质台体503的内径小于环状结构501平均直径；
交联材料控制旋转部150，包括：
筒状结构601，该筒状结构601的第一端，构造出交联台体603；
其中，交联台体603的内径小于筒状结构601平均直径；
如此，环状结构501内壁和基质台体503外壁可形成一缝隙，作为滑动间隙；
另外，基质台体503、交联台体603构造出两个连接空间602；
安装台510，水平设置，可连接在一三坐标机构上，该三坐标机构与安装台组成预设的安装位；
基质台体503、交联台体603的第一端可设置大小不同两个轴承520(可以是带有滚珠的部件)，相当于分别以基质台体503为“主轴”、以交联台体603为“主轴”，再以安装台510为固定基准，如此，基质台体503、交联台体603通过分别设置的大小不同的两个轴承520安装在安装台510上，如此，基质台体503、交联台体603相对于安装台510可分别转动，也能够设置成同轴线的方式；
在具体地，为了实现驱动转动的不同方向，还包括：
第一齿形部610，在基质台体503的外周构造；
第二齿形部620，布置在连接空间602内，形成在基质台体503的内周上；
中间传动齿轮件640，包括两个，分别布置在连接空间602内，设置在安装台510上，能够转动，中间传动齿轮件630与第二齿形部620内啮合连接；
第三齿形部630，在交联台体603的外周构造，与中间传动齿轮件630啮合传动连接；
驱动组件50包括：驱动电机51和驱动主齿轮52，驱动电机51安装在安装台510上，驱动电机的输出端连接驱动主齿轮52,驱动主齿轮52啮合第一齿形部610，第一齿形部610啮合第二齿形部620，第二齿形部620内啮合中间传动齿轮件640，中间传动齿轮件640啮合第三齿形部630部；
当驱动主齿轮52顺时针旋转时，啮合连接第一齿形部610，使得基质台体503逆时针旋转，使得基质台体503顺时针旋转；
因第二齿形部620与中间传动齿轮件640形成的内啮合关系，因此，中间传动齿轮件640顺时针旋转，以使啮合的第三齿形部630逆时针旋转，最终实现基质台体503、交联台体603的同步动作，且转向不同。
另外，通过在安装台510旋合安装一连接盖体701，并在盖体上设置多个连接口，用于布置进料。
请参阅图1-4所示，编程材料进给模块20包括：两组进料单元230，分别用以贮存、搅拌基质材料100和交联材料200；第一进料部210，用以将贮存有基质材料100的一组进料单元230输送至预设的安装位上，以使基质材料100可到达基质材料控制旋转部140；第二进料部220，用以将贮存有交联材料200的另一组进料单元230输送至预设的安装位上，以使交联材料200可到达交联材料控制旋转部150；
进料单元230包括：储料罐231，其设置有出料口，用以连接第一进料部210或者第二进料部220；搅拌装置232，其集成在储料罐231上。
请参阅图1-4所示，可控气压输出系统40包括：气源设备410，其能够产生可调节流量的输出气源；气源接入部417，其一端连接至气源设备410，其另一端能够连通至交联材料控制旋转部150。
请参阅图1-4所示，计算机控制模块30，包括：增材组件310，其用以提供打印空间以及为三维成型制造模块提供可移动的三坐标参数；预定义模块320，其用以设定一体成型的第一打印体1和第二打印体2的外形参数以及在构造第一打印体1和第二打印体2时的气源参数；固化程序基于三坐标参数、外形参数和气源参数向一执行模块330输出打印信息。
用于同轴螺旋结构增强复合材料的3D打印加工方法，包括：
S101，材料制备，在编程材料进给模块20配置基质材料
100和交联材料200；
交联材料配置，1.5～9wt.％的氯化钙粉末溶解在91～98.5wt.％去离子水配制成氯化钙溶液；
基质材料配置，45～56wt.％陶瓷粉末、4.3～9wt.％增强纤维及39～55wt.％海藻酸钠溶液；
其中，所述陶瓷粉末由Al2O3、Si3N4、SiC中的一种或多种陶瓷粉末组成；
其中，所述增强纤维(长径比8-30)由碳纤维、玻璃纤维、Al2O3纤维、SiC晶须中的一种或多种组成；
其中，所述海藻酸钠溶液是将1.5～9wt.％的海藻酸钠粉末及1.2～3.6wt.％的气相二氧化硅溶解在86～96wt.％去离子水中配制成海藻酸钠溶液，然后混合均匀制备而成；
将陶瓷粉末与增强纤维分三次加入到海藻酸钠溶液中，均匀搅拌后真空脱气2h，备用；
S102，同轴螺旋结构增材制造，具体包括：
第一步，三维模型的构建基于抗压及抗弯仿生复合材料预定义的几何模型和内部同轴螺旋结构纤维分布模式，建立一三维模型，随后对三维模型进行离散化处理；
第二步，同轴螺旋结构运动编程基于仿生复合材料模型中特征结构的结构参数，确定3D打印系统中的三维成型制造模块10的三维运动代码及同步挤出部110的运动轨迹、同步反向双旋转输料筒的转向及转动速度、编程材料进给模块20的材料输送速度及可控气压输出系统40的气源压力给定时间及大小。
第三步，将交联材料及基质材料分别加入到编程材料进给模块20的储料罐231中，均匀转动搅拌装置232防止材料下降沉淀，然后通过第一进料部210、第二进料部220将交联材料及基质材料均匀输送至交联材料旋转挤出筒111及基质材料旋转挤出筒112内。
第四步，同轴螺旋结构成形，利用按照步骤2中获得同步反向双旋转输料筒的转向及转动速度，驱动基质材料控制旋转部140和交联材料控制旋转部150，促使交联材料旋转挤出筒111基质材料旋转挤出筒112以一预设速度相对地反向旋转；
所述预设速度为0.1-3rad/s；而基质材料内增强相受交联材料旋转挤出筒111外壁及基质材料控制旋转部140内壁反向剪切作用，并在可控气压输出系统40的气源推送，引导基质材料旋转挤出筒112内的增强相材料由外向内呈现螺旋排列。
第五步，交联固化成型，根据获取的可控气压输出系统40的气源压力给定时间及大小定量控制基质材料与交联材料的挤出，其中基质材料挤出速度定义为V，单位mm/s；
其中，V≥3mm/s，交联材料的的挤出速度范围为2.5-5mm/s；
同步挤出部110中交联材料与基质材料直接接触，交联材料沿基材料径向扩散，与基质材料发生轻度交联固化反应，最后从同步挤出部110挤出，构造出一体成型的第一打印体1和第二打印体2，并沉积在一成型平台上。
S103，后处理步骤，将打印成型的同轴螺旋结构增强仿生复合材料三维样件置于氯化钙溶液内0.5h-3h；
通过置于一真空烧结炉内，以1-3℃/min加热速度加热到490-600℃，保温2-4h，进一步以2-10℃/min的加热速度加热到1650-1870℃，保温1.5-6h；最后，冷却至室温，取出。
涉及本申请的方法的更为优选的第一实施例一则，具体如下：
交联材料的制备：将2wt.％的氯化钙粉末溶解在98wt.％去离子水配制成氯化钙溶液；海藻酸钠溶液的制备：将5wt.％的海藻酸钠粉末及1.5wt.％的气相二氧化硅溶解在93.5wt.％去离子水中配制成海藻酸钠溶液；基质材料的制备：将50wt.％Al2O3陶瓷粉末及5wt.％SiC晶须分三次加入到45wt.％海藻酸钠溶液，均匀搅拌后真空脱气2h，备用；
根据抗压及抗弯仿生复合材料预定义的几何模型和内部同轴螺旋结构纤维分布模式，建立相关三维模型，随后对模型进行离散化处理；
根据仿生复合材料模型中特征结构的结构参数，确定3D打印系统中的三维成型制造模块10的三维运动代码及同步挤出部110的运动轨迹、同步反向双旋转输料筒的转向及转动速度、编程材料进给模块20的材料输送速度及可控气压输出系统40的气压给定时间及大小。
将交联材料及基质材料分别加入到编程材料进给模块20的储料罐231中，均匀转动搅拌装置232防止材料下降沉淀，然后通过进料单元230将交联材料及基质材料均匀输送至交联材料旋转挤出筒111及基质材料旋转挤出筒112内。
获得同步反向双旋转输料筒的转向及转动速度，驱动基质材料控制旋转部140和交联材料控制旋转部150，促使交联材料旋转挤出筒111及基质材料旋转挤出筒112以1rad/s的等速相向旋转，而基质材料内增强相受交联材料旋转挤出筒111外壁及基质材料旋转挤出筒112内壁反向剪切作用，并结合可控气压输出系统40的气压推送，诱导基质材料旋转挤出筒112内的增强相材料由外向内呈现螺旋排列；
可控气压输出系统40的气压给定时间及大小定量控制基质材料与交联材料的挤出，其中基质材料挤出速度定义为3mm/s，交联材料的挤出速度为1.5mm/s。参见图3，两种材料进入同轴挤出头11时交联材料与基质材料直接接触，交联材料沿基质材料径向扩散，与基质材料发生轻度交联固化反应，最后从同步挤出部110挤出，沉积在成型平台上；
3D打印样件的后处理首先，将打印成型的同轴螺旋结构增强仿生复合材料三维样件置于氯化钙溶液内1h；然后，放在真空烧结炉内以1.5℃/min加热速度加热到500℃，保温2h，进一步以8℃/min的加热速度加热到1700℃，保温3h；最后，冷却至室温，取出。
涉及本申请方法的优选的第二实施例一则，具体如下:
材料制备交联材料的制备：将3wt.％的氯化钙粉末溶解在97wt.％去离子水配制成氯化钙溶液；海藻酸钠溶液的制备：将5wt.％的海藻酸钠粉末及1.5wt.％的气相二氧化硅溶解在93.5wt.％去离子水中配制成海藻酸钠溶液；基质材料的制备：将60wt.％由Al2O3、Si3N4组成的陶瓷粉末及5wt.％由碳纤维和SiC晶须组成的增强相材料分三次加入到35wt.％海藻酸钠溶液，均匀搅拌后真空脱气2h，备用；
根据抗压及抗弯仿生复合材料预定义的几何模型和内部同轴螺旋结构纤维分布模式，建立相关三维模型，随后对模型进行离散化处理。
根据仿生复合材料模型中特征结构的结构参数，确定3D打印系统中的三维成型制造模块10的三维运动代码及同步挤出部110的运动轨迹、同步反向双旋转输料筒的转向及转动速度、编程材料进给模块20的材料输送速度及可控气压输出系统40的气压给定时间及大小。
将交联材料及基质材料分别加入到编程材料进给模块20的储料罐231中，均匀转动搅拌装置232防止材料下降沉淀，然后通过材料进料单元230将交联材料及基质材料均匀输送至交联材料旋转挤出筒111及基质材料旋转挤出筒112内。
获得同步反向双旋转输料筒的转向及转动速度，驱动基质材料控制旋转部140和交联材料控制旋转部150，促使交联材料旋转挤出筒111及基质材料旋转挤出筒112以1.5rad/s的速度等速相向旋转，而基质材料内增强相受交联材料旋转挤出筒111外壁及基质材料旋转挤出筒112内壁反向剪切作用，并结合可控气压输出系统40的气压推送，诱导基质材料旋转挤出筒112内的增强相材料由外向内呈现螺旋排列。
获取的可控气压输出系统40的气压给定时间及大小定量控制基质材料与交联材料的挤出，其中基质材料挤出速度定义为4mm/s，交联材料的挤出速度为1mm/s。参见图3，两种材料进入同步挤出部110时交联材料与基质材料直接接触，交联材料沿基质材料径向扩散，与基质材料发生轻度交联固化反应，最后从同步挤出部110挤出，沉积在成型平台上。
3D打印样件的后处理首先，将打印成型的同轴螺旋结构增强仿生复合材料三维样件置于氯化钙溶液内2h进一步固化；然后，放在真空烧结炉内以3℃/min加热速度加热到590℃，保温3h，进一步以7℃/min的加热速度加热到1680℃，保温2h；最后，冷却至室温，取出。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.同轴螺旋结构增强复合材料的3D打印系统，其特征在于，包括：
三维成型制造模块(10)，其用以按照两个不同的预设旋转方向输出基质材料(100)和交联材料(200)，以使所述基质材料(100)和所述交联材料(200)构造出具有同轴的、且一体成型的第一打印体(1)和第二打印体(2)；
编程材料进给模块(20)，其用以向所述三维成型制造模块(10)分别输送所述基质材料(100)和所述交联材料(200)；
计算机控制模块(30)，其基于一固化程序用以构建可打印的模型，并将所述可打印的模型的结构特征以三维运动代码的方式传送至所述三维成型制造模块(10)，以使所述三维成型制造模块(10)能够获得输出所述第一打印体(1)和所述第二打印体(2)的打印轨迹；
可控气压输出系统(40)，其用以提供输出气源以控制在构造所述第一打印体(1)和第二打印体(2)时消耗所述基质材料(100)或者所述交联材料(200)的输出量。
2.根据权利要求1所述的同轴螺旋结构增强复合材料的3D打印系统，其特征在于，所述三维成型制造模块(10)包括：
料筒部件(101)，其设置在一打印空间内，并相对于该打印空间能够转动；
同步挤出部(110)，设置在所述料筒部件(101)的第二端；
所述同步挤出部(110)包括：
第一挤出部(11)；
第二挤出部(12)，设置在所述第二挤出部(11)的内部，且所述第一挤出部(11)的高度小于所述第二挤出部(12)的高度，以使所述第一挤出部(11)的第二端与所述第二挤出部(12)的第二端连通时，构造出连通区(122)；
所述第一挤出部(11)与所述第二挤出部(12)向所述连通区(122)的方向逐渐缩进，且变化趋势相同。
3.根据权利要求2所述的同轴螺旋结构增强复合材料的3D打印系统，其特征在于，所述料筒部件(101)包括：
可旋转的交联材料旋转挤出筒(111)和可旋转的基质材料旋转挤出筒(112)；
所述交联材料旋转挤出筒(111)位于所述可旋转的基质材料旋转挤出筒(112)的内部；
所述交联材料旋转挤出筒(111)与所述第一挤出部(11)连接；
所述基质材料旋转挤出筒(112)与所述第二挤出部(12)连接。
4.根据权利要求3所述的同轴螺旋结构增强复合材料的3D打印系统，其特征在于，所述交联材料旋转挤出筒(111)与所述可旋转的基质材料旋转挤出筒(112)、所述第一挤出部(11)、第二挤出部(12)具有相同的轴线。
5.根据权利要求4所述的同轴螺旋结构增强复合材料的3D打印系统，其特征在于，还包括有：
基质材料控制旋转部(140)，其第一端连接在一预设的安装位上，并相对于所述预设的安装位，所述基质材料控制旋转部(140)可绕自身轴线顺时针或者逆时针旋转；
所述基质材料控制旋转部(140)与所述基质材料旋转挤出筒(112)的第一端固定连接、且所述基质材料控制旋转部(140)与所述基质材料旋转挤出筒(112)连通；
交联材料控制旋转部(150)，其第一端连接在所述预设的安装位上，并相对于所述预设的安装位，所述交联材料控制旋转部(150)可绕所述基质材料控制旋转部(140)的轴线针旋转或者顺时针逆时；
所述交联材料控制旋转部(150)与所述交联材料旋转挤出筒(111)的第一端固定连接、且所述交联材料控制旋转部(150)与所述交联材料旋转挤出筒(111)连通。
6.根据权利要求5所述的同轴螺旋结构增强复合材料的3D打印系统，其特征在于，所述基质材料控制旋转部(140)由一在所述预设的安装位上的驱动组件(50)驱动其绕自身轴线转动；
所述交联材料控制旋转部(150)设置在所述基质材料控制旋转部(140)内，且所述交联材料控制旋转部(150)与所述基质材料控制旋转部(140)能够传动连接；
当所述驱动组件(50)驱动控制所述基质材料控制旋转部(140)时，所述交联材料控制旋转部(150)与所述基质材料控制旋转部(140)在转动时能够形成相反的转动方向、且所述交联材料控制旋转部(150)与所述基质材料控制旋转部(140)在两者的第二端部分具有能够保持一预设滑动间隙。
7.根据权利要求4所述的同轴螺旋结构增强复合材料的3D打印系统，其特征在于，所述编程材料进给模块(20)包括：
两组进料单元(230)，分别用以贮存、搅拌基质材料(100)和交联材料(200)；
第一进料部(210)，用以将贮存有基质材料(100)的一组进料单元(230)输送至所述预设的安装位上，以使基质材料(100)可到达所述基质材料控制旋转部(140)；
第二进料部(220)，用以将贮存有交联材料(200)的另一组进料单元(230)输送至所述预设的安装位上，以使交联材料(200)可到达所述交联材料控制旋转部(150)；
所述进料单元(230)包括：
储料罐(231)，其设置有出料口，用以连接所述第一进料部(210)或者所述第二进料部(220)；
搅拌装置(232)，其集成在所述储料罐(231)上。
8.根据权利要求4所述的同轴螺旋结构增强复合材料的3D打印系统，其特征在于，所述可控气压输出系统(40)包括：
气源设备(410)，其能够产生可调节流量的所述输出气源；
气源接入部(417)，其一端连接至所述气源设备(410)，其另一端能够连通至所述基质交联材料控制旋转部(150)。
9.根据权利要求4所述的同轴螺旋结构增强复合材料的3D打印系统，其特征在于，所述计算机控制模块(30)，包括：
增材组件(310)，其用以提供所述打印空间以及为所述三维成型制造模块提供可移动的三坐标参数；
预定义模块(320)，其用以设定一体成型的第一打印体(1)和第二打印体(2)的外形参数以及在构造第一打印体(1)和第二打印体(2)时的气源参数；
所述固化程序基于三坐标参数、外形参数和气源参数向一执行模块(330)输出打印信息。
10.同轴螺旋结构增强复合材料的加工方法，其特征在于，包括：
S101，材料制备，在编程材料进给模块(20)配置基质材料(100)和交联材料(200)；
交联材料配置，1.5～9wt.％的氯化钙粉末溶解在91～98.5wt.％去离子水配制成氯化钙溶液；
基质材料配置，45～56wt.％陶瓷粉末、4.3～9wt.％增强纤维及39～55wt.％海藻酸钠溶液；
其中，所述陶瓷粉末由Al2O3、Si3N4、SiC中的一种或多种陶瓷粉末组成；
其中，所述增强纤维(长径比8-30)由碳纤维、玻璃纤维、Al2O3纤维、SiC晶须中的一种或多种组成；
其中，所述海藻酸钠溶液是将1.5～9wt.％的海藻酸钠粉末及1.2～3.6wt.％的气相二氧化硅溶解在86～96wt.％去离子水中配制成海藻酸钠溶液，然后混合均匀制备而成；
将陶瓷粉末与增强纤维分三次加入到海藻酸钠溶液中，均匀搅拌后真空脱气2h，备用；
S102，同轴螺旋结构增材制造，具体包括：
第一步，三维模型的构建基于抗压及抗弯仿生复合材料预定义的几何模型和内部同轴螺旋结构纤维分布模式，建立一三维模型，随后对三维模型进行离散化处理；
第二步，同轴螺旋结构运动编程基于仿生复合材料模型中特征结构的结构参数，确定3D打印系统中的三维成型制造模块(10)的三维运动代码及同步挤出部(110)的运动轨迹、同步反向双旋转输料筒的转向及转动速度、编程材料进给模块(20)的材料输送速度及可控气压输出系统(40)的气源压力给定时间及大小；
第三步，将交联材料及基质材料分别加入到编程材料进给模块(20)的储料罐(231)中，均匀转动搅拌装置(232)防止材料下降沉淀，然后通过第一进料部(210)、第二进料部(220)将交联材料及基质材料均匀输送至交联材料旋转挤出筒(111)及基质材料旋转挤出筒(112)内；
第四步，同轴螺旋结构成形，利用按照步骤2中获得同步反向双旋转输料筒的转向及转动速度，驱动基质材料控制旋转部(140)和交联材料控制旋转部(150)，促使交联材料旋转挤出筒(111)及基质材料旋转挤出筒(112)以一预设速度相对地反向旋转；
所述预设速度为0.1-3rad/s；而基质材料内增强相受交联材料旋转挤出筒(111)外壁及基质材料控制旋转部(140)内壁反向剪切作用，并在可控气压输出系统(40)的气源推送，引导基质材料旋转挤出筒(112)内的增强相材料由外向内呈现螺旋排列；
第五步，交联固化成型，根据获取的可控气压输出系统(40)的气源压力给定时间及大小定量控制基质材料与交联材料的挤出，其中基质材料挤出速度定义为V，单位mm/s；
其中，V≥3mm/s，交联材料的的挤出速度范围为2.5-5mm/s；
同步挤出部(110)中交联材料与基质材料直接接触，交联材料沿基材料径向扩散，与基质材料发生轻度交联固化反应，最后从同步挤出部(110)挤出，构造出一体成型的第一打印体(1)和第二打印体(2)，并沉积在一成型平台上；
S103，后处理步骤，将打印成型的同轴螺旋结构增强仿生复合材料三维样件置于氯化钙溶液内0.5h-3h；
通过置于一真空烧结炉内，以1-3℃/min加热速度加热到490-600℃，保温2-4h，进一步以2-10℃/min的加热速度加热到1650-1870℃，保温1.5-6h；最后，冷却至室温，取出。
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