CN113320143B - 聚合物连续纤维复合层的连续3d打印方法及质量评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚合物连续纤维复合层的连续3D打印方法及质量评估方法，属于增材制造领域；其中，质量评估方法包括：判断聚合物连续纤维复合层中的连续纤维是否满足嵌入在聚合物基体内、纤维路径间隔相同且内部无断裂点也无重叠点的条件，若是，则计算聚合物连续纤维复合层的平均滑移距离来评估聚合物连续纤维复合层的连续3D打印质量。本发明针对将导电纤维嵌入聚合物中的连续3D打印方法，由于在打印过程中喷头在转弯时，产生的力会使导电纤维朝着喷头运动的方向移动，与聚合物基体之间产生滑移，故通过计算聚合物基体中的拐点与其对应位置处连续纤维的拐点的距离，得到平均滑移距离来衡量打印误差，可以更加准确的评估连续3D打印质量。

Description

聚合物连续纤维复合层的连续3D打印方法及质量评估方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，更具体地，涉及一种聚合物连续纤维复合层的连续3D打印方法及质量评估方法。
背景技术
随着聚合物材料的多维发展和航空航天、生物医疗等领域的轻量化需求，越来越多的极端环境(高辐射、低温或高温)开始使用高性能聚合物来代替金属。而具有形状记忆效应的高性能聚合物在航天航空领域中不只可以作为机械承重结构，同时也可以作为具有驱动功能的关键控制部件，例如：可展开天线、可伸缩机械臂和可弯曲铰链，从而可以最大程度上提高器件的轻量化程度。
然而高性能聚合物的形状记忆效应需要在高于其玻璃化转变温度的条件下施加应变固定临时形状(编程过程)，并加热到同样的温度才能自动恢复原始形状(恢复过程)。通常是将样品放入高温烘箱，或油浴加热，但是编程过程的应变施加通常需要人为辅助，在烘箱中的样品无法手动操作，油浴中的样品也因为温度太高操作不便，甚至具有一定的危险性。同时，在航空航天中，高性能聚合物的恢复过程所需的高温环境也是难以提供的。
为了解决上述问题，现有方法通过3D打印技术打印聚合物连续纤维复合层，将导电纤维嵌入高性能聚合物样件中，利用导电纤维的电热效应产生用于形状记忆变形的温度源，导电纤维通电加热过程在任意空间中都可实现，既方便人辅助操作，也容易获得高温环境。但是由于不同3D打印参数下打印得到的聚合物连续纤维复合层质量不同，而现有的质量评估方法往往仅关注打印得到的聚合物的外形和机械性能，并没有考虑连续纤维的打印质量，对聚合物连续纤维复合层的质量进行评估时准确率较低，也无法对上述3D打印技术中的打印参数的选取起指导作用，也无法得到质量最优的聚合物连续纤维复合层。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种聚合物连续纤维复合层的连续3D打印方法及质量评估方法，用以解决现有技术无法对打印出来的聚合物连续纤维复合层的质量进行准确评估的技术问题。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种聚合物连续纤维复合层的连续3D打印质量评估方法，其中，聚合物连续纤维复合层通过将聚合物线材和导电纤维材料熔融沉积进行3D打印得到，包括聚合物基体和被聚合物基体包裹的连续纤维；聚合物基体的材料为聚合物线材；连续纤维的材料为导电纤维材料；
连续3D打印质量评估方法包括以下步骤：
Sa、判断聚合物连续纤维复合层中的连续纤维是否满足嵌入在聚合物基体内、纤维路径间隔相同且内部无断裂点也无重叠点的条件，若是，则转至步骤Sb；否则，判定3D打印质量不合格，操作结束；
Sb、计算聚合物连续纤维复合层的平均滑移距离来评估聚合物连续纤维复合层的连续3D打印质量；其中，滑移距离为聚合物基体中的拐点与其对应位置处连续纤维的拐点的距离；平均滑移距离越小，3D打印质量越高。
进一步优选地，计算聚合物连续纤维复合层的平均滑移距离的方法包括：
从聚合物基体中随机选择预设数量的拐点，分别测量各拐点与其对应位置处连续纤维的拐点的距离，得到各拐点的滑移距离；
计算各拐点滑移距离的平均值，得到聚合物连续纤维复合层的平均滑移距离。
进一步优选地，聚合物线材包括材聚醚醚酮线材、聚乳酸或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
进一步优选地，导电纤维材料包括导电镍铬合金丝、碳纤维、铜丝或镍钛合金丝。
进一步优选地，聚合物基体和连续纤维的形状均为“S”形。
第二方面，本发明提供了一种聚合物连续纤维复合层的连续3D打印方法，包括以下步骤：
S1、基于预设3D打印参数，通过将聚合物线材和导电纤维材料熔融沉积来进行连续3D打印，得到聚合物连续纤维复合层；其中，聚合物连续纤维复合层包括聚合物基体和被聚合物基体包裹的连续纤维；聚合物基体的材料为聚合物线材；连续纤维的材料为导电纤维材料；
S2、采用本发明第一方面所述的连续3D打印质量评估方法对所得聚合物连续纤维复合层进行质量评估，若评估结果为3D打印质量不合格，则在3D打印参数的预设范围内调整预设3D打印参数，转至步骤S1；否则，得到预设3D打印参数下聚合物连续纤维复合层的平均滑移距离；
S3、在3D打印参数的预设范围内调整预设3D打印参数；
S4、重复S1-S3进行迭代直至达到预设迭代次数，得到不同预设3D打印参数下聚合物连续纤维复合层的平均滑移距离；
S5、将最小平均滑移距离所对应的3D打印参数作为最优3D打印参数，对应的聚合物连续纤维复合层即为最终的3D打印结果。
进一步优选地，3D打印参数包括：基板温度、喷头高度、打印速度和打印间距。
进一步优选地，当评估结果为3D打印质量不合格时，调整预设3D打印参数的方法包括：在打印速度的预设范围内降低打印速度、在打印间距的预设范围内增大打印间距、在喷头高度的预设范围内增大喷头高度且/或在基板温度的预设范围内降低基板温度，以调整预设3D打印参数；
当评估结果为3D打印质量合格时，调整预设3D打印参数的方法包括：比较相邻两次所得的平均滑移距离，若平均滑移距离增大，则在打印速度的预设范围内减小打印速度且/或在打印间距的预设范围内增大打印间距，以调整预设3D打印参数。
进一步优选地，当评估结果为3D打印质量不合格时，各3D打印参数的调整优选级从高到低依次为：打印速度、打印间距、喷头高度和基板温度；
调整预设3D打印参数的方法包括：首先降低打印速度，若在打印速度的预设范围内3D打印质量仍然不合格，则增大打印间距，若在打印间距的预设范围内3D打印质量仍然不合格，则增大喷头高度，若在喷头高度的预设范围内3D打印质量仍然不合格，则在基板温度的预设范围内降低基板温度，直至打印质量合格。
进一步优选地，打印速度的预设范围为75mm/min～1200mm/min；打印间距的预设范围为1.2～1.8倍的喷嘴直径；喷头高度的预设范围为0.1mm～0.2mm；基板温度的预设范围为T0-40℃～T0-20℃，其中，T0为聚合物线材的玻璃化转变温度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供了一种聚合物连续纤维复合层的连续3D打印质量评估方法，针对将导电纤维嵌入聚合物中的连续3D打印方法所打印的聚合物连续纤维复合层，由于在打印过程中喷头在转弯时，产生的力会使导电纤维朝着喷头运动的方向移动，与聚合物基体之间产生滑移，故通过计算聚合物基体中的拐点与其对应位置处连续纤维的拐点的距离，得到平均滑移距离来衡量打印误差，可以更加准确的评估连续3D打印质量。
2、本发明提供了一种聚合物连续纤维复合层的连续3D打印方法，基于上述连续3D打印质量评估方法对不同参数下的打印质量进行准确评估，能够更加准确的得到最优的3D打印参数，以得到最优的3D打印结果。
3、本发明所提供的聚合物连续纤维复合层的连续3D打印方法，在3D连续纤维打印高分子复合物的可打印3D打印参数范围内，对打印速度、打印路径间隔、打印高度和/或打印基板温度进行调整，从而对不同3D打印参数下的打印质量进行评估，以指导3D连续纤维打印复合材料的打印参数选择，并可根据所需的打印效果逆向选择打印参数，以得到最优3D打印结果。
4、本发明所提供的聚合物连续纤维复合层的连续3D打印方法，利用3D打印的优势，可以将导电纤维按照所需的路径铺设在聚合物中，成型具有可电加热的高分子复合物。
附图说明
图1为本发明所提供的聚合物连续纤维复合层的连续3D打印质量评估方法流程图；
图2为本发明所提供的连续打印的单层规则路径的连续纤维示意图；
图3为本发明所提供的连续打印的单层规则路径的聚醚醚酮复合层示意图；
图4为本发明所提供的连续打印的单层部分规则路径的连续纤维示意图；
图5为本发明所提供的连续打印的单层部分规则路径的聚醚醚酮复合层示意图；
图6为本发明所提供的连续打印的单层不规则路径的连续纤维示意图；
图7为本发明所提供的连续打印的单层不规则路径的聚醚醚酮复合层示意图；
图8为本发明所提供的聚合物连续纤维复合层的连续3D打印方法流程图；
图9为本发明实施例1所提供的打印装置示意图及打印参数示意。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
第一方面，本发明提供了一种聚合物连续纤维复合层的连续3D打印质量评估方法，其中，聚合物连续纤维复合层通过将聚合物线材和导电纤维材料熔融沉积进行3D打印得到，包括聚合物基体和被聚合物基体包裹的连续纤维；聚合物基体的材料为聚合物线材；连续纤维的材料为导电纤维材料；进一步地，聚合物线材可以为聚醚醚酮线材、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)等；导电纤维材料为导电镍铬合金丝、碳纤维、铜丝、镍钛合金丝等；其中，当聚合物线材可以为聚醚醚酮线材，导电纤维材料为导电镍铬合金丝时，所打印的聚合物连续纤维复合层为镍铬纤维的聚醚醚酮复合层。其中，导电镍铬合金丝可以为Gr20Ni80纤维；需要说明的是，聚合物纤维复合层是聚合物熔融沉积中的一层，类似三明治结构的中间层，用来加热所需产生形变的聚合物。
如图1所示，连续3D打印质量评估方法包括以下步骤：
Sa、判断聚合物连续纤维复合层中的连续纤维是否满足嵌入在聚合物基体内、纤维路径间隔相同且内部无断裂点也无重叠点的条件，若是，则转至步骤Sb；否则，判定3D打印质量不合格，操作结束；
具体地，为了能够利用导电纤维的电热效应产生用于聚合物形状记忆变形的温度源，需要保证聚合物连续纤维复合层中的导电纤维嵌入在聚合物基体中，且在连续纤维两端通电可以形成一条通路，不能产生断路或短路的情况，即要求打印出来的连续纤维无断裂，且其内部也不存在缠绕、圆圈等闭合路径。步骤Sa用于判断打印聚合物连续纤维复合层的3D打印参数的可打印性，当3D打印参数不存在可打印性时，3D打印质量被判定为不合格。
进一步地，在满足连续纤维嵌入在聚合物基体内和内部无断裂点的条件后，连续纤维可以分为：连续规则路径的连续纤维、部分规则路径的连续纤维和不规则路径的连续纤维。以镍铬纤维的聚醚醚酮复合层为例进行说明，其中，如图2所示为规则连续纤维，此时，连续纤维的路径间隔相同且内部无断裂点也无重叠点，对应的聚合物连续纤维复合层示意图如图3所示；如图4所示为部分规则路径的连续纤维，此时，部分纤维路径间隔相同，但是存在路径间隔差异较大的情况，对应的聚合物连续纤维复合层示意图如图5所示；如图6所示为不规则路径的连续纤维，此时连续纤维杂乱分布，内部有重叠点，对应的聚合物连续纤维复合层示意图如图7所示；其中，在图3、图5和图7中，1表示连续纤维，2表示聚合物基底；需要说明的是，纤维路径间隔受3D打印参数中打印间距的影响。需要说明的是，部分规则连续纤维和不规则连续纤维可能会导致聚合物受热不均匀与所需状态不同，无法使聚合物可控的进行变形，且可能内部存在缠绕、圆圈等短路点，故一般不采用部分规则连续纤维和不规则连续纤维的。
Sb、计算聚合物连续纤维复合层的平均滑移距离来评估聚合物连续纤维复合层的连续3D打印质量；其中，滑移距离为聚合物基体中的拐点(即打印聚合物路径中的拐点)与其对应位置处连续纤维的拐点(即连续纤维实际路径中的拐点)的距离d(如图3所示)；平均滑移距离越小，3D打印质量越高。
需要说明的是，打印过程中喷头在转弯时，由于导电纤维有一定的抗弯刚度，会抵抗弯曲的产生，因此产生的力使导电纤维朝着喷头运动的方向移动，与聚合物基体之间产生滑移，存在打印误差；故在满足步骤Sa中的条件下，需要将滑移距离作为量化指标来评估聚合物连续纤维复合层的质量，即评估3D打印质量；具体地，平均滑移距离越小，3D打印质量越高。
具体地，计算聚合物连续纤维复合层的平均滑移距离的方法包括：从聚合物基体中随机选择预设数量的拐点，分别测量各拐点与其对应位置处连续纤维的拐点的距离，得到各拐点的滑移距离；计算各拐点滑移距离的平均值，得到聚合物连续纤维复合层的平均滑移距离。
第二方面，本发明提供了一种聚合物连续纤维复合层的连续3D打印方法，如图8所示，包括以下步骤：
S1、基于预设3D打印参数，通过将聚合物线材和导电纤维材料熔融沉积来进行连续3D打印，得到聚合物连续纤维复合层；其中，聚合物连续纤维复合层包括聚合物基体和被聚合物基体包裹的连续纤维；聚合物基体的材料为聚合物线材；连续纤维的材料为导电纤维材料；具体地，3D打印参数包括：基板温度、喷头高度、打印速度和打印间距。进一步地，聚合物线材可以为聚醚醚酮线材、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)等；导电纤维材料为导电镍铬合金丝、碳纤维、铜丝、镍钛合金丝等。
S2、采用本发明第一方面所述的连续3D打印质量评估方法对所得聚合物连续纤维复合层进行质量评估，若评估结果为3D打印质量不合格，则在3D打印参数的预设范围内调整预设3D打印参数，转至步骤S1；否则，得到预设3D打印参数下聚合物连续纤维复合层的平均滑移距离；
具体地，当评估结果为3D打印质量不合格时，调整预设3D打印参数的方法包括：在打印速度的预设范围内降低打印速度、在打印间距的预设范围内增大打印间距、在喷头高度的预设范围内增大喷头高度且/或在基板温度的预设范围内降低基板温度，以调整预设3D打印参数；
优选地，当评估结果为3D打印质量不合格时，各3D打印参数的调整优选级从高到低依次为：打印速度、打印间距、喷头高度和基板温度；
调整预设3D打印参数的方法包括：首先降低打印速度，若在打印速度的预设范围内3D打印质量仍然不合格，则增大打印间距，若在打印间距的预设范围内3D打印质量仍然不合格，则增大喷头高度，若在喷头高度的预设范围内3D打印质量仍然不合格，则在基板温度的预设范围内降低基板温度，直至打印质量合格。
其中，打印速度的预设范围为75mm/min～1200mm/min；打印间距的预设范围为1.2～1.8倍的喷嘴直径；喷头高度的预设范围为0.1mm～0.2mm；基板温度的预设范围为T0-40℃～T0-20℃，其中，T0为聚合物线材的玻璃化转变温度。
S3、在3D打印参数的预设范围内调整预设3D打印参数；
具体地，当评估结果为3D打印质量合格时，调整预设3D打印参数的方法包括：比较相邻两次所得的平均滑移距离，若平均滑移距离增大，则在打印速度的预设范围内减小打印速度且/或在打印间距的预设范围内增大打印间距，以调整预设3D打印参数。
S4、重复S1-S3进行迭代直至达到预设迭代次数，得到不同预设3D打印参数下聚合物连续纤维复合层的平均滑移距离；在一个可选实施例中，预设迭代取值为3；
S5、将最小平均滑移距离所对应的3D打印参数作为最优3D打印参数，对应的聚合物连续纤维复合层即为最终的3D打印结果。
为了进一步说明本发明所提供的聚合物连续纤维复合层的连续3D打印方法及质量评估方法，下面结合实施例1进行详述，其中，聚合物线材选用聚醚醚酮线材；导电纤维材料选用导电镍铬合金丝，具体为Gr20Ni80纤维；此时，所打印的聚合物连续纤维复合层为镍铬纤维的聚醚醚酮复合层。
实施例1、
准备工作：采用熔融沉积成型打印装备制造镍铬纤维的聚醚醚酮复合层，如图9所示，在打印喷头中放置聚醚醚酮线材和导电镍铬合金丝，将基板温度加热至指定温度，同时将打印喷头加热至聚醚醚酮熔融温度以上。将打印路径编写为打印机可以识别的gcode代码，导入打印机中。其中，聚醚醚酮线材是经过熔融挤出制造的，线材直径为1.75mm，熔融温度为343℃；喷头的喷嘴直径设置为通用的0.4mm；打印喷头的加热温度设置为370℃；导电镍铬合金丝采用直径为0.08mm的Gr20Ni80纤维；基板温度设置为110℃；喷头高度(喷头与基板之间的距离)设置为0.1mm，实现最高精度打印，打印路径设置为单层连续“S”形回转路径，路径需铺满整个打印面，路径长度为30mm，各“S”形回转路径之间的间距D(即打印间距)依次为0.48mm、0.52mm、0.56mm、0.60mm、0.64mm、0.68mm、0.72mm。
打印：运行gcode代码，喷头以一定的打印速度V和喷头高度连续打印包含镍铬纤维的聚醚醚酮路径；其中，本实施例中打印速度可以取值为75mm/min、150mm/min、225mm/min、300mm/min、375mm/min、450mm/min、525mm/min、600mm/min；打印高度设置为0.1mm。
基于上述3D打印参数连续打印含0.08mm镍铬纤维的聚醚醚酮复合材料所得的可打印性评价表如表1所示：
表1
Figure BDA0003139619840000101
从表1可以看出，本实施例中在喷头高度和基板温度一定的情况下，优先调整打印速度和打印间距，仅通过打印速度和打印间距的调整就可以实现规则的打印，得到3D打印聚醚醚酮连续纤维复合的可打印参数范围，此时3D打印质量合格。
对于打印规则(即3D打印质量合格)的情况，继续调整打印速度和打印路径间隔，实现更小平均滑移距离，即更高质量的打印；具体地，所述打印质量如表2所示：
表2
Figure BDA0003139619840000111
从表2可以看出随着打印速度的降低、路径间隔的增加，平均滑移距离不断减小，打印质量不断提高。
本领域的技术人员容易理解，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 (10)

1.一种聚合物连续纤维复合层的连续3D打印质量评估方法，其特征在于，所述聚合物连续纤维复合层通过将聚合物线材和导电纤维材料熔融沉积进行3D打印得到，包括聚合物基体和被所述聚合物基体包裹的连续纤维；所述聚合物基体的材料为聚合物线材；所述连续纤维的材料为导电纤维材料；
所述连续3D打印质量评估方法包括以下步骤：
Sa、判断所述聚合物连续纤维复合层中的所述连续纤维是否满足嵌入在所述聚合物基体内、纤维路径间隔相同且内部无断裂点也无重叠点的条件，若是，则转至步骤Sb；否则，判定3D打印质量不合格，操作结束；
Sb、通过计算所述聚合物连续纤维复合层的平均滑移距离来评估聚合物连续纤维复合层的连续3D打印质量；其中，所述滑移距离为所述聚合物基体中的拐点与其对应位置处所述连续纤维的拐点的距离；所述平均滑移距离越小，3D打印质量越高。
2.根据权利要求1所述连续3D打印质量评估方法，其特征在于，所述计算所述聚合物连续纤维复合层的平均滑移距离的方法包括：
从所述聚合物基体中随机选择预设数量的拐点，分别测量各拐点与其对应位置处所述连续纤维的拐点的距离，得到各拐点的滑移距离；
计算各拐点滑移距离的平均值，得到所述聚合物连续纤维复合层的平均滑移距离。
3.根据权利要求1或2所述连续3D打印质量评估方法，其特征在于，所述聚合物线材包括聚醚醚酮线材、聚乳酸或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
4.根据权利要求1或2所述连续3D打印质量评估方法，其特征在于，所述导电纤维材料包括导电镍铬合金丝、碳纤维、铜丝或镍钛合金丝。
5.根据权利要求1或2所述连续3D打印质量评估方法，其特征在于，所述聚合物基体和所述连续纤维的形状均为“S”形。
6.一种聚合物连续纤维复合层的连续3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于预设3D打印参数，通过将聚合物线材和导电纤维材料熔融沉积来进行连续3D打印，得到聚合物连续纤维复合层；其中，所述聚合物连续纤维复合层包括聚合物基体和被聚合物基体包裹的连续纤维；所述聚合物基体的材料为聚合物线材；所述连续纤维的材料为导电纤维材料；
S2、采用权利要求1-5任意一项所述的连续3D打印质量评估方法对所述聚合物连续纤维复合层进行质量评估，若评估结果为3D打印质量不合格，则在3D打印参数的预设范围内调整预设3D打印参数，转至步骤S1；否则，得到预设3D打印参数下所述聚合物连续纤维复合层的平均滑移距离；
S3、在3D打印参数的预设范围内调整预设3D打印参数；
S4、重复S1-S3进行迭代直至达到预设迭代次数，得到不同预设3D打印参数下所述聚合物连续纤维复合层的平均滑移距离；
S5、将最小平均滑移距离所对应的3D打印参数作为最优3D打印参数，对应的聚合物连续纤维复合层即为最终的3D打印结果。
7.根据权利要求6所述的连续3D打印方法，其特征在于，所述预设3D打印参数包括：基板温度、喷头高度、打印速度和打印间距。
8.根据权利要求7所述的连续3D打印方法，其特征在于，当评估结果为3D打印质量不合格时，在打印速度的预设范围内降低打印速度、在打印间距的预设范围内增大打印间距、在喷头高度的预设范围内增大喷头高度且/或在基板温度的预设范围内降低基板温度，以调整预设3D打印参数；
当评估结果为3D打印质量合格时，比较相邻两次所得的平均滑移距离，若平均滑移距离增大，则在打印速度的预设范围内减小打印速度且/或在打印间距的预设范围内增大打印间距，以调整预设3D打印参数。
9.根据权利要求8所述的连续3D打印方法，其特征在于，当评估结果为3D打印质量不合格时，各预设3D打印参数的调整优选级从高到低依次为：打印速度、打印间距、喷头高度和基板温度；
调整预设3D打印参数的方法包括：首先降低打印速度，若在打印速度的预设范围内3D打印质量仍然不合格，则增大打印间距，若在打印间距的预设范围内3D打印质量仍然不合格，则增大喷头高度，若在喷头高度的预设范围内3D打印质量仍然不合格，则在基板温度的预设范围内降低基板温度，直至打印质量合格。
10.根据权利要求7-9任意一项所述的连续3D打印方法，其特征在于，所述打印速度的预设范围为75mm/min～1200mm/min；所述打印间距的预设范围为1.2～1.8倍的喷嘴直径；所述喷头高度的预设范围为0.1mm～0.2mm；所述基板温度的预设范围为T0-40℃～T0-20℃，其中，T0为聚合物线材的玻璃化转变温度。
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