CN112046007A - 连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3d打印路径生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3D打印路径生成方法，根据构件工况进行合理的切片层设计，按设计的特定填充角度进行路径规划，提升构件的综合力学性能。本发明将连续纤维增强复合材料的可设计性优点与多自由度3D打印技术结合，旨在突破传统复合材料3D打印的二维切片局限，对待成型构件使用曲面切片方法，根据成型构件的实际性能要求，进行切片层填充角度的设计，根据设计结果对切片层执行路径规划，实现连续纤维复合材料打印成型。本发明能够实现连续纤维增强复合材料高性能、高效率、高精度的多自由度3D打印成型。

Description

连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3D打印路径生成方法
技术领域
本发明属于材料制造技术领域，涉及连续纤维增强复合材料快速成型技术，具体涉及一种连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3D打印路径生成方法。
背景技术
连续纤维增强树脂基复合材料相比于金属材料具有高比强度、高比模量，抗侵蚀等一系列优点，已经成功运用于航空航天、潜艇舰船、汽车赛车、医疗卫生、体育器材等领域。连续纤增强复合材料的传统成型工艺主要有热压罐成型，RTM成型，纤维铺放成型以及缠绕成型等，这些传统成型工艺过程复杂、模具开发周期长、制造成本高。
3D打印技术不仅能够优先提升制造效率，缩短制造周期，而且更能适应复杂机构的精确制造，针对连续纤维增强复合材料3D打印，当前的研究主要偏向对传统的FDM打印机的喷头进行改造，制件的路径生成方式多是偏向在二维平面切片内进行直线往返填充、轮廓偏置填充、混合路径填充等路径规划方法。对纤维的力学性能的利用更多的集中在二维平面内，尚无三维空间内的可行性方案。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3D打印路径生成方法，根据构件工况进行合理的切片层设计，按设计的特定填充角度进行路径规划，提升构件的综合力学性能。本发明旨在打破传统复合材料3D打印的二维切片局限，实现连续纤维复合材料打印成型，对待成型构件使用曲面切片方法，根据成型构件的实际性能要求，进行切片层填充角度的设计，根据设计结果对切片层执行路径规划，结合打印工艺利用CATIA二次开发技术生成适用于连续纤维增强复合材料多自由度3D打印的路径。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3D打印路径生成方法，包括如下步骤：
步骤1，根据成型构件的尺寸要求建立三维模型，编写以构件内表面为基面、沿着构件厚度方向进行切片的切片脚本，获得切片数据集；
步骤2，获取切片数据集后，根据成型构件的实际性能要求，对成型构件做切片层设计；依据其主应力方向设计出充分利用连续纤维的轴向强度的填充角度，纤维的轴向与填充方向保持一致，切片层的角度设计满足对称性原则，根据构件在不同方向的应力的比例，调整切片层填充角度的比例，各个应力方向对应填充角度层数按比例赋予；
步骤3，对所有切片层执行路径规划机制，获得初始参考路径；在初始参考路径的基础上，采用平移方法实现切片完整填充，具体包括如下步骤：
(1)对于切片层曲面A1，选取初始轨迹初始点a00和参考平面，过a00与参考平面平行的平面与曲面A1的交线为参考曲线c0，然后获取点a00在该点处的切平面S1，将参考曲线c0投影到S1上得到参考直线l0；
(2)在切平面S1上取与l0同向，方向与轨迹延伸方向向量乘积为非负数，步长为x的向量b1，将向量b1的起点与a00重合，在切平面内S1绕a00逆时针旋转填充角度α，旋转后向量在S上的投影即为下一个轨迹点a01；
(3)接着以a01为参考点重复进行上述(1)-(2)操作，到达切片层边界时，向量bn旋转后在曲面A1上的投影与切片层边界的交点即为an，至此获取了所有的初始轨迹点a00，…，a0n，这些轨迹点拟合的曲线即为初始轨迹s0，对a00，…，a0n的轨迹点沿该点在曲线切矢T与曲面法矢B叉乘方向进行等距平移，平移距离m＝k*d，其中k为平移系数，d为丝束直径，平移后的点在曲面上的正交投影点拟合成的曲线即为下一条轨迹，等距平移过程中，出现轨迹终点未抵达切片层边界时，以轨迹轨迹起点和终点和为初始点重复(1)(2)操作直至抵达切片层边界，当平移点跳出切片边界时，则删除此轨迹点，当后平移轨迹与先平移轨迹出现交叉时，则终止交点以后的轨迹点平移，分别获得切片层曲面中的点b10，…，b1n，和d10，…，d1n，，此时b1n，…b10，a10，…a1n，d10，…d1n所拟合的曲线即为轨迹s1；
(4)把s1上的离散轨迹点当做初始路径重复(1)(2)(3)操作，直至铺覆整个切片层曲面；
步骤4，判断本切片层路径填充是否完整，如果本层路径填充完整，直接进入步骤5，反之，对未填充区域重复步骤3的操作；
步骤5，对所有的生成的轨迹点重新做首尾相接排序处理，以提升打印效率，排序为：a00，…，a0n，d1n，…，d10，a1n，…，a10，b10，…，b1n，…，根据切断机构的切刀到打印喷嘴之间的距离可确定切断点位置，对切断点添加切断信息，并对轨迹终点添加跳转信息；
步骤6获取下一层的切片层信息和切片层填充角度，重复步骤3，步骤4，步骤5的操作，直至所有切片层遍历完毕，最终得到规划路径。
进一步的，所述步骤1中，三维模型采用CAD建模软件建立，切片脚本利用CATIA的VBA功能编写。
进一步的，所述步骤2中，选取参考系设计切片层的设计填充角度时，根据切片的类型选择合适的参考系。
进一步的，所述步骤2中，填充角度的层数按照下式计算
h×σi/(σ1+σ2+…+σn)
其中，h为总层数，σi为αi方向应力。
进一步的，所述步骤3子步骤(1)中参考平面选取坐标平面。
进一步的，所述连续纤维采用以下材料中的任意一种：连续碳纤维线材、连续陶瓷纤维线材、连续碳化硅纤维线材，连续玻璃纤维线材。
进一步的，所述树脂采用PLA、PBS、PPS中的任意一种或多种。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明将连续纤维增强复合材料的可设计性优点与多自由度3D打印技术结合，规划出连续的具有特定方向的打印路径。按照构件的实际工况进行切片层设计，并按设计的填充角度生成具有特定方向的填充路径，保证成型构件的综合力学性能，实现连续纤维高质量，高效率成型的路径规划，能满足连续纤维增强复合材料多自由度3D打印构件综合力学性能要求，实现连续纤维增强复合材料高性能、高效率、高精度的多自由度3D打印成型。
附图说明
图1为其中一个切片的初始路径生成示意图。
图2为初始路径等距平移示意图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明提供的一种连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3D打印路径生成方法，具体操作步骤如下：
步骤1，根据成型构件的具体尺寸要求，借助CAD建模软件建立三维模型，利用CATIA的VBA功能编写以构件内表面为基面，沿着构件厚度方向进行切片的切片脚本，获得切片数据集，切片层数与制件的厚度和丝束直径有关。
步骤2，获取切片集后，每层切片称作切片层，根据成型构件的实际性能要求，以高性能为目标，对成型构件做合理的切片层设计。
切片层设计的原则为：依据其主应力方向设计出充分利用连续纤维的轴向强度的填充角度，填充角度是每层切片进行填充轨迹规划的重要参数。具体的说，应结合打印热应力和构件的载荷情况，选取参考系设计切片层的填充角度，对于不同类型的切片其参考系的选取可能会不同(对于开放曲面通常选取坐标平面或坐标轴，对于回转曲面或类回转曲面，通常选取回转轴)，碳纤维的轴向应与填充方向保持一致。切片层的设计应满足对称性原则，能够分散收缩应力。根据构件在不同方向的应力的比例，调整切片层填充角度的比例，各个应力方向对应填充角度的层数按比例赋予。具体的，假设各个填充角度αi方向应力为σi，层数为h层，则αi角度方向层数为h×σi/(σ1+σ2+…+σn)。主应力方向与其对应的填充角度的切片层数比例可适当增大，其他应力可根据其比例做出适当的调整。切片设计完毕，整合切片信息及相应的填充角度。
步骤3，对所有切片层执行路径规划机制，获得初始参考路径；在初始参考路径的基础上，采用平移方法实现切片完整填充。
切片层路径规划机制具体为：
(1)对于如图1所示的切片层曲面A1，选取初始轨迹初始点a00和参考平面(通常选取坐标平面)，过a00与参考平面平行的平面与曲面A1的交线为参考曲线c0，然后获取点a00在该点处的切平面S1，将参考曲线c0投影到S1上得到参考直线l0；
(2)在切平面S1上取与l0同向，方向与轨迹延伸方向向量乘积为非负数，步长为x的向量b1，将向量b1的起点与a00重合，在切平面内S1绕a00逆时针旋转填充角度α，旋转后向量在S上的投影即为下一个轨迹点a01；
(3)接着以a01为参考点重复进行上述(1)-(2)操作，到达切片层边界时，向量bn旋转后在曲面A1上的投影与切片层边界的交点即为an，至此获取了所有的初始轨迹点a00，…，a0n，这些轨迹点拟合的曲线即为初始轨迹s0，对a00，…，a0n的轨迹点沿该点在曲线切矢T与曲面法矢B叉乘方向进行等距平移，平移距离m＝k*d(k为平移系数，d为丝束直径)，平移后的点在曲面上的正交投影点拟合成的曲线即为下一条轨迹，等距平移过程中，出现轨迹终点未抵达切片层边界时，以轨迹轨迹起点和终点和为初始点重复(1)(2)操作直至抵达切片层边界，分别获得图2中的b10，…，b1n，和d10，…，d1n，当平移点跳出切片边界时，则删除此轨迹点，当后平移轨迹与先平移轨迹出现交叉时，则终止交点以后的轨迹点平移，此时b1n，…b10，a10，…a1n，d10，…d1n所拟合的曲线即为轨迹s1；
(4)把s1上的离散轨迹点当做初始路径重复(1)(2)(3)操作，直至铺覆整个切片层曲面。
步骤4，判断本切片层路径填充是否完整，如果本层路径填充完整，直接进入步骤5，反之，对未填充区域重复步骤3的操作。
步骤5，对所有的生成的轨迹点重新做首尾相接排序处理，以提升打印效率，a00，…，a0n，d1n，…，d10，a1n，…，a10，b10，…，b1n，根据切断机构的切刀到打印喷嘴之间的距离可确定切断点位置，对切断点添加切断信息，并对轨迹终点添加跳转信息。
步骤6获取下一层的切片层信息和切片层填充角度，重复步骤3，步骤4，步骤5的操作，直至所有切片层遍历完毕，最终得到连续纤维连续纤维增强复合材料高性能、高效率成型的多自由度3D打印路径，输出规划的路径代码文件。
对打印路径做坐标转换后能够导入UR10机器人中，通过UR10机器人控制可进行连续纤维增强复合材料3D打印喷头，实现连续纤维增强复合材料高性能、高效率、高精度的多自由度3D打印成型。
本发明中所指的连续纤维为连续碳纤维线材、连续陶瓷纤维线材、连续碳化硅纤维线材，或根据特殊应用场合制备的其他连续纤维丝束；所指的树脂可采用PLA,PBS,PPS的一种或多种。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3D打印路径生成方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，根据成型构件的尺寸要求建立三维模型，编写以构件内表面为基面、沿着构件厚度方向进行切片的切片脚本，获得切片数据集；
步骤2，获取切片数据集后，根据成型构件的实际性能要求，对成型构件做切片层设计；依据其主应力方向设计出充分利用连续纤维的轴向强度的填充角度，纤维的轴向与填充方向保持一致，切片层的角度设计满足对称性原则，根据构件在不同方向的应力的比例，调整切片层填充角度的比例，各个应力方向对应填充角度的层数按比例赋予；
步骤3，对所有切片层执行路径规划机制，获得初始参考路径；在初始参考路径的基础上，采用平移方法实现切片完整填充，具体包括如下步骤：
(1)对于切片层曲面A1，选取初始轨迹初始点a00和参考平面，过a00与参考平面平行的平面与曲面A1的交线为参考曲线c0，然后获取点a00在该点处的切平面S1，将参考曲线c0投影到S1上得到参考直线l0；
(2)在切平面S1上取与l0同向，方向与轨迹延伸方向向量乘积为非负数，步长为x的向量b1，将向量b1的起点与a00重合，在切平面S1内绕a00逆时针旋转填充角度α，旋转后向量在S上的正交投影即为下一个轨迹点a01；
(3)接着以a01为参考点重复进行上述(1)-(2)操作，到达切片层边界时，向量bn旋转后在曲面A1上的正交投影与切片层边界的交点即为an，至此获取了所有的初始轨迹点a00，…，a0n，这些轨迹点拟合的曲线即为初始轨迹s0，对a00，…，a0n的轨迹点沿该点在曲线切矢T与曲面法矢B叉乘方向进行等距平移，平移距离m＝k*d，其中k为平移系数，d为丝束直径，平移后的点在曲面上的正交投影点拟合成的曲线即为下一条轨迹，等距平移过程中，当轨迹线未抵达切片层边界时，以轨迹轨迹起点和终点和为初始点重复(1)(2)操作直至抵达切片层边界，分别获得切片层曲面中的点b10，…，b1n，和d10，…，d1n，当平移点跳出切片边界时，则删除此轨迹点，当后平移轨迹与先平移轨迹出现交叉时，则终止交点以后的轨迹点平移，此时b1n，…b10，a10，…a1n，d10，…，d1n，所拟合的曲线即为轨迹s1；
(4)把s1上的离散轨迹点当做初始路径重复(1)(2)(3)操作，直至铺覆整个切片层曲面；
步骤4，判断本切片层路径填充是否完整，如果本层路径填充完整，直接进入步骤5，反之，对未填充区域重复步骤3的操作；
步骤5，对所有的生成的轨迹点重新做首尾相接排序处理，以提升打印效率，排序为：a00，…，a0n，d1n，…，d10，a1n，…，a10，b10，…，b1n，…，根据切断机构的切刀到打印喷嘴之间的距离确定切断点位置，对切断点添加切断信息，并对轨迹终点添加跳转信息；
步骤6获取下一切片层和切片层填充角度，重复步骤3，步骤4，步骤5的操作，直至所有切片层遍历完毕，最终得到规划路径。
2.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3D打印路径生成方法，其特征在于，所述步骤1中，三维模型采用CAD建模软件建立，切片脚本利用CATIA的VBA功能编写。
3.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3D打印路径生成方法，其特征在于，所述步骤2中，选取参考系设计切片层的设计填充角度时，根据切片的类型选择合适的参考系。
4.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3D打印路径生成方法，其特征在于，所述步骤2中，填充角度αi对应的的层数按照下式计算：
h×σi/(σ1+σ2+…+σn)
其中，h为总层数，σi为αi方向应力。
5.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3D打印路径生成方法，其特征在于，所述步骤3子步骤(1)中参考平面选取坐标平面。
6.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3D打印路径生成方法，其特征在于，所述连续纤维采用以下材料中的任意一种：连续碳纤维线材、连续陶瓷纤维线材、连续碳化硅纤维线材，连续玻璃纤维线材。
7.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂基复合材料多自由度3D打印路径生成方法，其特征在于，所述树脂采用PLA、PBS、PPS中的任意一种或多种。
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