CN112976221A - 连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3d打印成型设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印成型设备及成型方法，用于解决现有连续纤维/陶瓷复合材料3D打印技术中陶瓷在纤维束内填充不均匀的问题。所述成型设备包括外框架、传动机构、超声展丝浸渗装置、成型组件、两级加热组件和控制组件，通过超声展丝浸渗装置连续纤维束在浸渗浆料中被展开和浸渗，浸渗浆料的纤维束和基础浆料经两进一出喷头挤出至加热板固化成丝束，按预设程序执行打印路径获得预定纤维排布方式和外形尺寸的连续纤维/陶瓷复合材料坯体。本发明实现了陶瓷在纤维束内和束间充分填充、连续纤维/陶瓷丝束的自动铺放，提高了成型效率和精度，为陶瓷基复合材料的后续致密化提供性能稳定、陶瓷充分填充纤维的坯体。

Description

连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印成型设备及方法

技术领域

本发明属于3D打印领域，具体涉及一种连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印成型设备及成型方法。

背景技术

3D打印，即增材制造，以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或树脂等可粘合材料，通过逐层打印的方式实现坯体成型，不需要不同部件间的配合与单独制备，减少了制造时间和成本，增加了操作灵活性，减轻了供应链负担，而且几乎可以制造在计算机辅助设计(CAD)软件中设计的任何东西。为了提高3D打印产品的性能，在打印原料中引入连续纤维，形成连续纤维增强复合材料，以提高产品的强度、减轻产品自重，获得更好的抗冲击性和耐腐蚀性等。

现有技术中，3D打印连续纤维/复合材料时，大多集中在树脂基复合材料的3D打印成型，通过液态树脂均匀包裹碳纤维。例如，对碳纤维增强聚乳酸复合材料进行3D打印时，聚乳酸通过送料装置进入共挤出设备喷头，热塑性聚合物在加热部件中加热到其玻璃化转变温度以上，并在熔融形式下从喷嘴挤出，在与铺层接触时，熔融的热塑性塑料立即凝固。但是，在陶瓷基复合材料中，液态陶瓷先驱体的固化温度高、陶瓷浆料的浸渗性差，限制了3D打印在连续纤维/陶瓷复合材料成型过程中的应用。另外，现有连续纤维/陶瓷复合材料的3D打印成型工艺制备的复合材料的力学性能较差，陶瓷仅包覆在碳纤维束表面，纤维束内部陶瓷含量较少、填充不充分且分布不均。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印成型设备及成型方法，所述复合材料选用陶瓷基复合材料，通过两进一出式喷头，实现陶瓷浆料对连续纤维的深度浸渗，从而完成复合材料的3D打印，成型过程纤维/陶瓷丝束均匀排布，提高了成型精度及产品性能。

为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印设备，所述3D打印设备包括：外框架、传动机构、超声展丝浸渗装置、成型组件、两级加热组件和控制组件；

其中，所述外框架包括前底座、后底座、左底座、右底座、下底座，前底座、后底座、左底座、右底座为垂直放置的矩形板，首尾相接形成一个矩形框，下底座横跨设置在左底座和右底座下，用于对矩形框固定，同时用于承载框架内的其他组件；

所述传动机构包括X轴传动组件、Y轴传动组件和Z轴传动组件，Y轴传动组件用于带动X轴传动组件在Y轴方向上的运动，X轴传组件用于带动Z轴传动组件在X轴方向上的运动，Z轴传动组件用于带动成型组件在Z轴方向上的运动；三组轴向组件运动加成后实现成型组件在三维方向上的任意运动；

所述超声展丝浸渗装置包括超声振动器和浆料盘；所述浆料盘设置于所述传动机构上方，所述超声振动器水平放置于浆料盘上方；所述浆料盘具有一个下料口；

所述成型组件包括第一下料管、第二下料管及两进一出喷头，其中，第一下料管一端与浆料盘的下料口连接，另一端与喷头第一进料口连通；所述第二下料管一端与喷头第二进料口连通，另一端与下料注射泵连通；

所述两级加热组件包括加热喷头和加热板，其中，所述加热喷头设置在所述两进一出喷头下侧，且相互连通；所述加热板设置于下底座上，位于矩形框的内部，且包含加热喷头的所有到达区域；

所述控制组件包括X轴传感器、Y轴传感器、Z轴传感器和控制器，其中X轴传感器用于获得喷头X坐标，并将X坐标上传给所述控制器；所述Y轴传感器用于获得喷头的Y坐标，并将Y坐标上传给所述控制器；所述Z轴传感器用于获得喷头的Z坐标，并将Z坐标上传给所述控制器；所述控制器的输入端与X轴传感器、Y轴传感器、Z轴传感器相连，输出端与X轴电机、Y轴电机和Z轴电机相连，同时控制器内嵌有当前产品3D打印模型，通过当前产品3D打印模型与输入端的数据，实现对三个轴向电机的控制。

作为本发明的一个优选实施例，所述Y轴传动组件包括两块Y轴电机固定板、一个Y轴电机、一根Y轴传动杆、两条Y轴皮带、两个Y轴导轨、两个Y轴支架、两对Y轴皮带杆和两个Y轴滑块，所述两块Y轴电机固定板分别固定于左底座和右底座靠近后底座一端的内侧，且伸出框架外，左底座上的固定板用于固定Y轴电机，右底座上的固定板用于固定与电机相连的Y轴传动杆，Y轴传动杆伸出两侧的固定板外，且伸出的部分与两侧的Y轴皮带接触，为Y轴皮带提供支撑并张紧皮带，使同一个电机同时驱动左底座和右底座上的Y轴皮带；两条Y轴皮带、两个Y轴导轨、两个Y轴支架、两对Y轴皮带杆和两个Y轴滑块对称设置；任一侧皮带的两个端头分别固定于一对皮带杆上；所述左底座和右底座内侧设置有与皮带平行的导轨；所述滑块与导轨滑动连接，同时滑块固定于支架上；支架上的滑块上侧设置有皮带杆；

所述X轴传动组件包括一个横杆、电机固定板、X轴电机、传动杆、X轴皮带固定器、X轴皮带、一对X轴皮带杆、X轴导轨、X轴滑块、X轴支架；其中，所述横杆跨连在两个Y轴支架间，电机固定板设置于所述横杆的一端，固定有X轴电机，X轴皮带固定器设置于所述横杆的另一端，电机的传动轴和皮带固定器设置于横杆的同侧且伸出横杆，共同起到对皮带的支撑和张紧作用；所述皮带的两端分别固定于两个皮带杆上，皮带杆固定于X轴支架上；横杆一侧设置有与皮带平行的导轨；所述滑块与导轨滑动连接，同时滑块固定于X轴支架上；所述X轴支架上的滑块上侧设置有一对平行的皮带杆；

所述Z轴传动组件包括Z轴电机、丝杆、Z轴固定器、Z轴导轨和Z轴滑块；所述X轴支架上设置有Z轴导轨，且导轨与有X轴皮带杆和X轴滑块位于X支架的相反侧，X轴支架下端设置有Z轴固定器，所述Z轴滑块位于所述Z轴固定器上侧，与所述导轨滑动连接，且滑块上固定有Z轴电机；与电机相连的丝杆穿过Z轴固定器，丝杆穿过Z轴固定器的下端连接有成型组件。

作为本发明的一个优选实施例，所述超声振动器功率为100W。超声辅助展丝浸渗很大程度上加速了陶瓷浆料的流动，使连续碳纤维均匀展开，防止纤维团聚，实现了陶瓷浆料的浸渗与包覆；在超声振动作用下，浆料的流动和碳纤维的展丝可以实现陶瓷浆料渗入碳纤维间隙；超声产生的高频振荡可以降低液体的表面张力，提高润湿性能。

第二方面，本发明实施例还提供了一种连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印方法，所述3D打印方法基于上述的连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印设备实现，包括如下步骤：

步骤S1，配制陶瓷浆料，并将陶瓷浆料按比例分为浸渗浆料和基础浆料；将浸渗浆料倒入浆料盘，将基础浆料放入下料注射泵；

步骤S2，将预定比例的连续纤维放入浆料池，在超声展丝浸渗装置的辅助下连续纤维被陶瓷浆料浸渗，使陶瓷浆料充分填充纤维丝束内部；

步骤S3，将基础浆料通过下料注射泵注入两进一出喷头的第二下料管，同时打开第一下料管，将浆料盘中浸渗完成的连续纤维导入两进一出喷头中；

步骤S4，第一下料管中被浸渗浆料充分浸渗的连续纤维与第二下料管中的基础浆料在两进一出喷头中完成混合后得到连续纤维/陶瓷浆料，并进入加热喷头，对混合后的连续纤维/陶瓷浆料进行预热；

步骤S5，将当前打印产品的G代码导入控制器，并进行起点定位，同时对加热板预热；

步骤S6，启动控制组件，开始打印，连续纤维/陶瓷浆料在挤出至加热板时快速固化成丝束，按G代码设定的打印路径执行程序，直至G代码运行完毕，完成产品打印，获得预定纤维排布方式和外形尺寸的连续纤维/陶瓷复合材料坯体。

作为本发明的一个优选实施例，所述配制陶瓷浆料，具体为：将粘结剂、固化剂、有机溶剂与陶瓷粉末按质量比为(0.8-1.2)：(0.8-1.2)：(15-20)：(10-15)混合，获得陶瓷浆料。

作为本发明的一个优选实施例，所述粘结剂为聚乙烯醇丁醛树脂，固化剂为聚乙二醇-6000，有机溶剂为无水乙醇与ZrB₂-SiC混合物，比例为1：1：15：10；同时所采用的连续纤维为碳纤维；打印产品为C_f/ZrB₂-SiC复合材料坯体。

作为本发明的一个优选实施例，加热喷头预热使喷头处的纤维/陶瓷浆料保持50-60℃。

作为本发明的一个优选实施例，加热板预热使加热板保持100-120℃。

本发明实施例所提供的技术方案具有如下有益效果：

(1)本发明解决了连续纤维/陶瓷复合材料3D打印成型过程中陶瓷在纤维束内外充分均匀填充、纤维/陶瓷丝束均匀排布的技术难题；

(2)连续纤维与超高温陶瓷复合，制备高韧性超高温陶瓷复合材料，是克服超高温陶瓷本征脆性最有效的技术手段之一，相比于短纤维增韧，连续纤维表现出更加优异的性能，而相比于三维纤维编织体增韧陶瓷基复合材料，则不受制于材料厚度方向尺寸的限制，避免编制体表面与内部的陶瓷含量不均匀的现象；

(3)连续纤维可实现精准排布，通过设计打印路径可实现预定纤维排布方式和外形尺寸的复合材料坯体的3D打印成型，通过纤维排布方式的设计可最大限度提高连续纤维增韧效果；

(4)本发明实现了连续纤维/陶瓷丝束自动铺放，提高了成型精度，具有较高的自动化程度，同时相比于先驱体浸渍裂解(PIP)、反应金属熔渗(RMI)、浆料浸渗(SI)和化学气相渗透(CVI)工艺，采用3D打印的方式极大地提高了陶瓷基复合材料的制备效率；

(5)本发明采用超声辅助展丝浸渗，成型的样品中陶瓷浆料不仅均匀包覆在碳纤维束表面，而且充分浸渗填充碳纤维束内部；

(6)本发明同时适用其他纤维增韧陶瓷基复合材料，通过陶瓷浆料浸渗连续纤维束、连续纤维/陶瓷丝束按预设路径的铺放及加热固化预成型实现了连续纤维/陶瓷复合材料坯体的连续打印成型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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说，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附图。

图1是本发明实施例提供的连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印设备立体结构示意图；

图2是图1所示3D打印设备的Z轴传动组件和超声展丝浸渗装置装配示意图；

图3是图1所示3D打印设备的传感器设置位置示意图；

图4是本发明实施例提供的连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印方法流程图；

图5是本发明3D打印设备及打印方法制备的连续纤维/陶瓷复合材料坯体微观结构图。

附图标记说明：

11、前底座；12、后底座；13、左底座；14、右底座；15、下底座；21、Y轴电机固定板；22、Y轴电机；23、Y轴传动杆；24、Y轴皮带；25、Y轴导轨；26、Y轴支架；27、Y轴皮带杆；28、Y轴滑块；31、横杆；32、电机固定板；33、X轴电机；34、X轴传动杆；35、X轴皮带固定器；36、X轴皮带；37、X轴皮带杆；38、X轴导轨；39、X轴滑块；40、X轴支架；41、Z轴电机；42、丝杆；43、Z轴固定器；44、Z轴导轨；45、Z轴滑块；51、超声振动器；52、浆料盘；53、下料口；61、第一下料管；62、第二下料管；63、两进一出喷头；64、下料注射泵；71、加热喷头；72、加热板；81、Y轴传感器；82、X轴传感器；83、Z轴传感器；84、控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施方式提供了一种连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印成型设备,图1至图3示出了本发明实施方式所提供的连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印设备结构示意图。如图1至图3所示，所述3D打印设备包括：外框架、传动机构、超声展丝浸渗装置、成型组件、两级加热组件和控制组件。

其中，所述外框架包括前底座11、后底座12、左底座13、右底座14、下底座15，其中前底座11、后底座12、左底座13、右底座14为垂直放置的矩形板，首尾相接形成一个矩形框，下底座15跨在左底座13和右底座14下，对矩形框起到固定的作用，同时用于承载框架内的其他组件。优选地，所述下底座15为两个。

所述传动机构包括X轴传动组件、Y轴传动组件和Z轴传动组件，Y轴传动组件包括两块Y轴电机固定板21、一个Y轴电机22、一根Y轴传动杆23、两条Y轴皮带24、两个Y轴导轨25、两个Y轴支架26、两对Y轴皮带杆27和两个Y轴滑块28，所述两块Y轴电机固定板21分别固定于左底座13和右底座14靠近后底座12一端的内侧，且伸出外框架外，左底座13上的固定板21用于固定Y轴电机22，右底座14上的固定板21用于固定与电机相连的Y轴传动杆23，Y轴传动杆23伸出两侧的固定板21外，且伸出的部分与两侧的Y轴皮带24接触，为Y轴皮带24提供支撑并张紧，使同一个电机同时驱动左底座和右底座上的Y轴皮带24；两条Y轴皮带24、两个Y轴导轨25、两个Y轴支架26、两对Y轴皮带杆27和两个Y轴滑块28对称设置；任一侧皮带24的两个端头分别固定于一对皮带杆上27；所述左底座13和右底座14内侧设置有与皮带24平行的导轨25；所述滑块28与导轨25滑动连接，同时滑块28固定于支架26上；支架26上的滑块28上侧设置有皮带杆27。电机22驱动传动杆23带动两侧张紧的皮带24运动，皮带运动时带动皮带端头的皮带杆27移动，皮带杆27带动支架26运动，支架26带动滑块28沿导轨25移动，从而实现Y轴方向上的移动。

所述X轴传动组件包括一个横杆31、电机固定板32、X轴电机33、传动杆34、X轴皮带固定器35、X轴皮带36、一对X轴皮带杆37、X轴导轨38、X轴滑块39、X轴支架30其中，所述横杆31跨连在两个Y轴支架26间，电机固定板32设置于所述横杆31的一端，固定有X轴电机33，X轴皮带固定器35设置于所述横杆31的另一端，电机33的传动轴和皮带固定器35设置于横杆的同侧且伸出横杆，共同起到对皮带的支撑和张紧作用；所述皮带36的两端分别固定于两个皮带杆37上，皮带杆37固定于X轴支架30上；横杆31一侧设置有与皮带平行的导轨38；所述滑块39与导轨38滑动连接，同时滑块39固定于X轴支架30上；所述X轴支架30上的滑块上侧设置有一对平行的皮带杆37。电机33驱动传动杆34带动张紧的皮带36运动，皮带36运动时皮带端头带动皮带杆37运动，皮带杆37带动支架30运动，支架30带动滑块39在导轨38内滑动，从而实现X轴方向上的移动。

所述Z轴传动组件包括Z轴电机41、丝杆42、Z轴固定器43、Z轴导轨44和Z轴滑块45；所述X轴支架30上设置有Z轴导轨44，且导轨44与有X轴皮带杆37和X轴滑块39位于X支架30的相反侧，X轴支架30下端设置有Z轴固定器43，所述Z轴滑块45位于所述Z轴固定器43上侧，与所述导轨44滑动连接，且滑块45上固定有Z轴电机41；与电机41相连的丝杆42穿过Z轴固定器43，丝杆42穿过Z轴固定器43的下端连接有成型组件。电机41带动丝杆42相对Z轴固定器43运动，丝杆42带动下端的成型组件沿Z轴运动；电机42带动滑块45在导轨44内滑动，保护丝杆42的竖直。

由以上三个传动组件，Y轴传动组件带动X轴传动组件在Y轴方向上的运动，X轴传组件带动Z轴传动组件在X轴方向上的运动，Z轴传动组件带动成型组件在Z轴方向上的运动，运动加成后实现成型组件在三维方向上的任意运动。

所述超声展丝浸渗装置包括超声振动器51、浆料盘52；所述浆料盘52设置于所述X轴支架30的最上端，通过直角板进行固定；浆料盘52上方水平放置超声振动器51，用于对浆料盘52中的浆料进行超声振动，以实现对浆料的深度混合，同时，将浆料盘52中的浆料渗入连续纤维中。所述浆料盘52具有一个下料口53。

所述超声振动器51展丝浸渗陶瓷浆料，超声辅助展丝浸渗很大程度上加速了陶瓷浆料的流动，使碳纤维在陶瓷浆料中充分展开，防止纤维团聚，实现了陶瓷浆料对纤维束的浸渗。在超声振动作用下，浆料的流动和碳纤维的展丝可以实现陶瓷浆料渗入碳纤维单丝间隙。超声产生的高频振荡可以降低液体的表面张力，改善浸渗效果。

所述成型组件包括第一下料管61、第二下料管62、两进一出喷头63及下料注射泵64，其中，第一下料管61一端与浆料盘的下料口53连接，另一端与喷头第一进料口连通；所述第二下料管62一端与喷头第二进料口连通，另一端与下料注射泵64连通。

所述两级加热组件包括加热喷头71和加热板72，其中，所述加热喷头71设置在所述两进一出喷头下侧，且相互连通；所述加热板72设置于下底座15上，位于矩形框的内部，且包含加热喷头71的所有到达区域。

所述控制组件包括Y轴传感器81、X轴传感器82、Z轴传感器83和控制器84，其中X轴传感器81与X轴皮带36相连，用于通过对皮带的监测获得喷头X坐标，并将X坐标上传给所述控制器84；所述Y轴传感器82与任一段的Y轴皮带24相连，用于通过对Y轴皮带的监测获得喷头的Y坐标，并将Y坐标上传给所述控制器84；所述Z轴传感器83与丝杆42相连，用于通过对丝杆42的监测获得喷头的Z坐标，并将Z坐标上传给所述控制器84；所述控制器84的输入端与Y轴传感器81、X轴传感器82、Z轴传感器相连83，输出端与X轴电机33、Y轴电机22和Z轴电机相连41，同时控制器84内嵌有G代码，通过G代码与输入端的数据，实现对三个轴向电机的控制。

当采用本发明实施例提供的3D打印成型设备进行打印时，关闭第一下料管开关；将混合好的陶瓷浆料放入浆料盘中，再将连续纤维放入浆料盘中，启动超声振动器，在超声辅助下对连续纤维进行展丝，同时浸渗陶瓷浆料；达到预定时间或满足浸渗要求后，打开第一下料口开关，将浆料盘中浸渗了陶瓷浆料的连续纤维通过第一下料管导入两进一出喷头；同时用注射泵将基础陶瓷浆料从第二下料管中注入两进一出喷头；在喷头处，浸渗了陶瓷浆料的连续纤维与基础陶瓷浆料混合，进入加热喷头中进行预热；此时，将加热板加热至预设温度，打开两进一出喷头和加热喷头，开始打印成型。打印成型时，喷头的打印路线由控制组件来控制，G代码中包含了当前需打印的产品设计图，同时，X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器实时返回皮带所带动的喷头的三个轴向上的坐标值，对电机运动进行实时校正，从而控制三个轴向电机运动至相应位置，且具有相应的精度。代码运行完成，则完成产品打印，获得成型产品。

基于上述连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印成型设备，本发明实施例还提供了一种连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印成型方法。如图4所示，所述成型方法步骤如下：

步骤S1，将粘结剂、固化剂、有机溶剂与陶瓷粉末按质量比例为(0.8-1.2)：(0.8-1.2)：(15-20)：(10-15)配制陶瓷浆料，混合后将预定比例的陶瓷浆料倒入浆料盘并启动超声振动器。在本发明的一个优选实施例中，打印产品为C_f/ZrB₂-SiC复合材料坯体，本步骤中，所述粘结剂为聚乙烯醇丁醛树脂，固化剂为聚乙二醇-6000，有机溶剂为无水乙醇与ZrB₂-SiC混合物，质量比例为1：1：15：10；同时所采用的连续纤维为碳纤维。

步骤S2，将预定比例的连续纤维放入浆料池，在超声振动器的辅助下连续纤维在浸渗浆料中充分展开并被陶瓷浆料充分浸渗，使陶瓷浆料充分填充纤维丝束内部；优选地，所述超声振动器功率为100W。

步骤S3，将未倒入浆料盘的基础陶瓷浆料通过注射泵注入两进一出喷头的第二下料管，同时打开第一下料管，将浆料盘中浸渗完成的连续纤维导入两进一出喷头中。

步骤S4，第一下料管中的被浸渗浆料充分浸渗的连续纤维与第二下料管中的基础浆料在两进一出喷头中完成混合后得到连续纤维/陶瓷浆料，并进入加热喷头，对混合后的连续纤维/陶瓷浆料进行预热。优选地，所述预热使喷头处的连续纤维/陶瓷浆料保持在50-60℃。

步骤S5，将当前打印产品的G代码导入控制器，并进行起点定位，同时对加热板预热，保持100-120℃。

步骤S6，打开加热喷头，启动控制组件，开始打印，连续纤维/陶瓷浆料在挤出至加热板时快速固化成丝束，按G代码设定的打印路径执行程序，直至G代码运行完毕，完成产品打印，获得预定纤维排布方式和外形尺寸的连续纤维/陶瓷复合材料坯体。

如图5所示，通过本发明实施例一种连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印成型设备所打印的复合材料坯体，陶瓷在纤维丝束内和束间均匀分布，充分填充了纤维之间的间隙，为陶瓷基复合材料的后续致密化提供性能稳定、陶瓷充分填充纤维的坯体。

由以上技术方案可以看出，本发明实施例所提供的一种连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印成型设备及成型方法，打印成型设备通过两进一出喷头及超声展丝浸渗装置，实现了连续纤维在陶瓷浆料中的充分展开并被陶瓷浆料充分浸渗，再经过加热喷头对连续纤维/陶瓷浆料进行预热，同时在三轴传动机构的配合下，由控制组件对喷头定位的同时由传感器组完成喷头定位的校准，实现高精度3D打印。本发明打印成型方法中，实现了连续纤维/陶瓷复合材料中纤维丝束在陶瓷浆料中的充分展开并被陶瓷浆料充分浸渗，陶瓷在纤维丝束内部和外部均匀充分填充，实现纤维/陶瓷丝束的自动铺放，提高了成型效率和成型精度，为陶瓷基复合材料的后续致密化提供性能稳定、陶瓷充分填充纤维的复合材料坯体。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的预定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (7)

1.一种连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印设备，其特征在于，所述3D打印设备包括：外框架、传动机构、超声展丝浸渗装置、成型组件、两级加热组件和控制组件；

其中，所述外框架包括前底座、后底座、左底座、右底座、下底座，前底座、后底座、左底座、右底座为垂直放置的矩形板，首尾相接形成一个矩形框，下底座横跨设置在左底座和右底座下，用于对矩形框固定，同时用于承载框架内的其他组件；

所述传动机构包括X轴传动组件、Y轴传动组件和Z轴传动组件，Y轴传动组件用于带动X轴传动组件在Y轴方向上的运动，X轴传组件用于带动Z轴传动组件在X轴方向上的运动，Z轴传动组件用于带动成型组件在Z轴方向上的运动；三组轴向组件运动加成后实现成型组件在三维方向上的任意运动；

所述超声展丝浸渗装置包括超声振动器和浆料盘；所述浆料盘设置于所述传动机构上方，所述超声振动器水平放置于浆料盘上方；所述浆料盘具有一个下料口；

所述成型组件包括第一下料管、第二下料管、两进一出喷头及下料注射泵，其中，第一下料管一端与浆料盘的下料口连接，另一端与喷头第一进料口连通；所述第二下料管一端与喷头第二进料口连通，另一端与下料注射泵连通；

所述两级加热组件包括加热喷头和加热板，其中，所述加热喷头设置在所述两进一出喷头下侧，且相互连通；所述加热板设置于下底座上，位于矩形框的内部，且包含加热喷头的所有到达区域；

所述控制组件包括X轴传感器、Y轴传感器、Z轴传感器和控制器，其中X轴传感器用于获得喷头X坐标，并将X坐标上传给所述控制器；所述Y轴传感器用于获得喷头的Y坐标，并将Y坐标上传给所述控制器；所述Z轴传感器用于获得喷头的Z坐标，并将Z坐标上传给所述控制器；所述控制器的输入端与X轴传感器、Y轴传感器、Z轴传感器相连，输出端与X轴电机、Y轴电机和Z轴电机相连，同时控制器内嵌有当前产品3D打印模型，通过当前产品3D打印模型与输入端的数据，实现对三个轴向电机的控制。

2.根据权利要求1所述的连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印设备，其特征在于，

所述Y轴传动组件包括两块Y轴电机固定板、一个Y轴电机、一根Y轴传动杆、两条Y轴皮带、两个Y轴导轨、两个Y轴支架、两对Y轴皮带杆和两个Y轴滑块，所述两块Y轴电机固定板分别固定于左底座和右底座靠近后底座一端的内侧，且伸出框架外，左底座上的固定板用于固定Y轴电机，右底座上的固定板用于固定与电机相连的Y轴传动杆，Y轴传动杆伸出两侧的固定板外，且伸出的部分与两侧的Y轴皮带接触，为Y轴皮带提供支撑并张紧皮带，使同一个电机同时驱动左底座和右底座上的Y轴皮带；两条Y轴皮带、两个Y轴导轨、两个Y轴支架、两对Y轴皮带杆和两个Y轴滑块对称设置；任一侧皮带的两个端头分别固定于一对皮带杆上；所述左底座和右底座内侧设置有与皮带平行的导轨；所述滑块与导轨滑动连接，同时滑块固定于支架上；支架上的滑块上侧设置有皮带杆；

所述X轴传动组件包括一个横杆、电机固定板、X轴电机、传动杆、X轴皮带固定器、X轴皮带、一对X轴皮带杆、X轴导轨、X轴滑块、X轴支架；其中，所述横杆跨连在两个Y轴支架间，电机固定板设置于所述横杆的一端，固定有X轴电机，X轴皮带固定器设置于所述横杆的另一端，电机的传动轴和皮带固定器设置于横杆的同侧且伸出横杆，共同起到对皮带的支撑和张紧作用；所述皮带的两端分别固定于两个皮带杆上，皮带杆固定于X轴支架上；横杆一侧设置有与皮带平行的导轨；所述滑块与导轨滑动连接，同时滑块固定于X轴支架上；所述X轴支架上的滑块上侧设置有一对平行的皮带杆；

所述Z轴传动组件包括Z轴电机、丝杆、Z轴固定器、Z轴导轨和Z轴滑块；所述X轴支架上设置有Z轴导轨，且导轨与有X轴皮带杆和X轴滑块位于X支架的相反侧，X轴支架下端设置有Z轴固定器，所述Z轴滑块位于所述Z轴固定器上侧，与所述导轨滑动连接，且滑块上固定有Z轴电机；与电机相连的丝杆穿过Z轴固定器，丝杆穿过Z轴固定器的下端连接有成型组件。

3.根据权利要求1所述的连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印设备，其特征在于，所述超声振动器功率为100W。

4.一种连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印方法，其特征在于，所述3D打印方法基于权利要求1至3任一项所述的连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印设备实现，包括如下步骤：

步骤S1，配制陶瓷浆料，并将陶瓷浆料按比例分为浸渗浆料和基础浆料；将浸渗浆料倒入浆料盘，将基础浆料放入下料注射泵；

步骤S2，将预定比例的连续纤维放入浆料池，在超声展丝浸渗装置的辅助下连续纤维在陶瓷浆料中被充分展开，并被陶瓷浆料充分浸渗，使陶瓷浆料充分填充纤维丝束内部；

步骤S3，将基础浆料通过下料注射泵注入两进一出喷头的第二下料管，同时打开第一下料管，将浆料盘中浸渗完成的连续纤维导入两进一出喷头中；

步骤S4，第一下料管中被陶瓷浆料充分浸渗的连续纤维与第二下料管中的基础陶瓷浆料在两进一出喷头中完成混合后得到连续纤维/陶瓷浆料，并进入加热喷头，对混合后的连续纤维/陶瓷浆料进行预热；

步骤S5，将当前打印产品的G代码导入控制器，并进行起点定位，同时对加热板预热；

步骤S6，打开加热喷头，启动控制组件，开始打印，连续纤维/陶瓷浆料在挤出至底部加热板时快速固化成丝束，按G代码设定的打印路径执行程序，直至G代码运行完毕，完成产品打印，获得预定纤维排布方式和外形尺寸的连续纤维/陶瓷复合材料坯体。

5.根据权利要求4所述的连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印方法，其特征在于，所述配制陶瓷浆料，具体为：将粘结剂、固化剂、有机溶剂与陶瓷粉末按质量比为(0.8-1.2)：(0.8-1.2)：(15-20)：(10-15)混合，获得陶瓷浆料。

6.根据权利要求4所述的连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印方法，其特征在于，加热喷头预热使喷头处的连续纤维/陶瓷浆料保持50-60℃。

7.根据权利要求4所述的连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印方法，其特征在于，加热板预热使加热板保持100-120℃。

Images