CN113601835B - 一种连续纤维增强软硬混合热塑性基构件原位制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续纤维增强软硬混合热塑性基构件原位制造方法，包括：(1)输入需要增材制造的模型和工艺参数；(2)将输入模型进行切片，得出有n层的初始的切片路径；(3)计算获取切片路径第1层的中心点Pc，并将切片路径Path偏置到以Pc为原点的坐标系；(4)将每层的路径插补到指定的精度，插补后的路径为PathI；(5)计算PathI到达喷嘴指定姿态α需要的角度θ，重新调整PathI每层路径的起始和终点接缝，得到Pathend；(6)将Pathend转为极坐标表示，生成四轴打印机的打印路径Px，y，z，θ，并根据打印速度S和喷嘴控制温度T，生成四轴打印机的控制代码。本发明解决了软硬混合材料的机械性能差，软硬混合材料界面融合差的问题。

Description

一种连续纤维增强软硬混合热塑性基构件原位制造方法
技术领域
本发明涉及纤维复合增材制造领域，尤其是涉及一种连续纤维增强软硬混合热塑性基构件原位制造方法。
背景技术
目前3D打印集中于打印单一材料，优化单材料打印工艺参数是其重点，例如研究打印层厚，打印方向和打印速度等对打印件性能的影响，但优化这些工艺参数最理想的状态是全部发挥单一材料本身的机械性能，但通常单一材料的性能和价格是相互矛盾的，在具有一定性价比的情况下进一步提高打印件的机械性能，与其它材料混合为复合材料是一种常用的手段，常见的是与纤维包括碳纤维，玻璃纤维和凯夫拉纤维进行混合，其中与连续碳纤维混合后的复合材料性能较优。最近功能性材料也有涉及，比如软硬混合的复合材料。
如公开号为CN106584839A的中国专利文献公开了一种多打印头复合材料3D打印机及其打印方法，包括：工作台、多个打印材料滚轮、导轨、加热装置、多个打印头、一对滑轨、位移控制电机和计算机，其能够实现多种材料混杂复合材料及功能复合材料3D打印制造，能够通过3D打印软件实现任意形状、任意树脂基复合材料制品3D打印成型，同时能够对制备复合材料的铺层角、纤维含量和材料类型进行精确控制。
公开号为CN110271182A的中国专利文献公开了一种连续纤维束的3D打印成型方法和装置，3D打印机装置设有两个打印头，一个打印头装置输送单一的聚合物线性材料，另一个打印头装置输送单一或混合的连续纤维束增强的聚合物复合线性材料，超声加热熔融两种不同的线性材料，而连续纤维束耐高温不发生熔融，根据需要控制3D打印机的两个打印头在产品不同部位挤出两种不同线性材料，熔融沉积获得完整的打印成品。
但是打印软硬混合的复合材料需要多喷嘴分别打印软硬材料，没有真正意义上的混合，机械性能不足也是其问题之一。
发明内容
本发明提供了一种连续纤维增强软硬混合热塑性基构件原位制造方法，解决了软硬混合材料的机械性能差，软硬混合材料界面融合差的问题。
一种连续纤维增强软硬混合热塑性基构件原位制造方法，包括以下步骤：
(1)输入需要增材制造的模型和相应的工艺参数，所述的工艺参数包括分层厚度δ、插补精度I、喷嘴在打印坐标系中的姿态PN、打印速度S和喷嘴控制温度T；
(2)根据输入的分层厚度δ，将输入模型进行切片，得出有n层的初始的切片路径Path；
(3)计算获取切片路径Path第1层的中心点Pc，并将切片路径Path偏置到以Pc为原点的坐标系，偏置后的路径为Patho；
(4)根据插补精度I，将每层的路径插补到指定的精度，插补后的路径为PathI；
(5)计算PathI到达喷嘴Pi指定姿态α需要的角度θ，记录每层角度θ为0时的索引值Indexi，取所有层索引值的众数重新调整PathI每层路径的起始和终点接缝，调整接缝后的路径为Pathend；
(6)将Pathend转为极坐标表示(r,θ)，生成四轴打印机的打印路径Px,y,z,θ，并根据打印速度S和喷嘴控制温度T，生成四轴打印机的控制代码，并利用四轴打印机进行打印。
本发明中的喷嘴采用特殊结构设计，所述喷嘴的进料端设有一个连续纤维进口和四个混合材料进口；其中，连续纤维进口位于中心，四个混合材料进口均匀布置在连续纤维进口的四周，与连续纤维进口的间距为15～25mm；喷嘴在连续纤维进口和混合材料进口之间的位置设有加热模块和温控模块；
所述喷嘴的出料端设有一个连续纤维出口和四个混合材料出口，四个混合材料出口均匀布置在连续纤维出口的四周，与连续纤维出口的间距为0.2～2.5mm。
四个混合材料进口分别对应材料一、材料二、材料三、材料二，即材料一和材料三正对，两个材料二正对。打印过程中，材料一和材料二，材料二和材料三之间加热后冷却固化在一起，材料二浸渍并包裹连续纤维。其中材料二为硬材料，材料一和材料三其一或者其二为软材料。
进一步地，步骤(2)中，切片的层数n>10。
进一步地，步骤(3)中，将切片路径Path偏置到以Pc为原点的坐标系后，与打印坐标系重合。
进一步地，步骤(4)中，插补后路径的精度比未插补前高，且每层路径点分布更均匀。
进一步地，步骤(5)中，调整接缝后的路径为Pathend未改变路径点的坐标，只是改变了每层起点和终点的位置。
喷嘴Pi指定姿态用喷嘴打印出的复合材料中心线与y轴的夹角α表示。
进一步地，步骤(6)中，生成的四轴打印机控制代码包括运动控制代码和温度控制代码等。
四轴打印机拥有四个自由度，其打印平台拥有四种运动方式，包括分别沿着x、y、z轴方向的直线运动以及绕z轴的旋转运动，四种运动方式既可以独立也可以同时进行。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用特定结构的打印喷嘴，配合特定的打印方法，可以使软硬混合材料的机械性能更好，软硬混合材料界面融合性好，打印精度更高。
2、本发明采用特定结构的打印喷嘴，配合不同混合材料挤出量的独立控制方法，可以实现软硬混合材料不同硬度层厚度可调的功能，满足个性化打印要求。
3、本发明采用特定结构的打印喷嘴，集成度高，紧凑型好，为软硬混合材料的制造提供良好的打印基础。
附图说明
图1为本发明一种连续纤维增强软硬混合热塑性基构件原位制造方法的流程图；
图2为本发明方法中喷嘴的进料端示意图；
图3为本发明方法中喷嘴的出料端示意图；
图4为本发明实施例打印的连续纤维增强软硬混合热塑性基构件的等轴示意图；
图5为本发明实施例打印的连续纤维增强软硬混合热塑性基构件的截面示意图；
图6为本发明方法中四轴打印机示意图；
图7为本发明实施例中连续纤维增强软硬混合热塑性基构件的打印成品示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种连续纤维增强软硬混合热塑性基构件原位制造方法，包括：
步骤1，输入需要增材制造的模型和相应的工艺参数：包括分层厚度δ、插补精度I、喷嘴在打印坐标系中的姿态PN、打印速度S和喷嘴控制温度T等。
步骤2，根据输入的分层厚度δ，将输入模型进行切片，得出有n层的初始的切片路径Path。
步骤3，计算获取切片路径Path第1层的中心点Pc，并将Path偏置到以Pc为原点的坐标系即打印坐标系，偏置后的路径为Patho。
步骤4，根据插补精度I，将每层的路径插补到指定的精度，插补后的路径为PathI。
步骤5，计算PathI到达喷嘴Pi指定姿态α需要的角度θ，记录每层角度θ为0时的索引值Indexi，获得n层Indexi的平均数Indexmean，根据Indexmean调整PathI每层路径的起始和终点的接缝，调整接缝后的路径为Pathend。
步骤6，将Pathend转为极坐标表示(r,θ)，生成四轴打印机的打印路径Px,y,z,θ，并根据打印速度S和喷嘴控制温度T等，生成四轴打印机的控制代码。
如图2所示，本发明中，喷嘴整体呈锥形结构，喷嘴的进料端设有一个连续纤维进口1和四个混合材料进口2；其中，连续纤维进口1位于中心，四个混合材料进口2均匀布置在连续纤维进口1的四周，靠近喷嘴进料端的边缘。喷嘴在连续纤维进口和混合材料进口之间的位置设有三个加热模块安装孔3和一个温控模块安装孔4。
如图3所示，喷嘴的出料端设有一个连续纤维出口5和四个混合材料出口6，四个混合材料出口6均匀布置在连续纤维出口1的四周，与连续纤维出口紧挨，距离为0.2～2.5mm。
如图4和图5所示，四个混合材料进口2分别对应材料一11、材料二12、材料三13、材料二12，即材料一11和材料三13正对，两个材料二12正对，连续纤维14从连续纤维进口1进入。打印过程中，材料一11和材料二12，材料二12和材料三13之间加热后冷却固化在一起，材料二12浸渍并包裹连续纤维14。其中材料二12为硬材料，材料一11和材料三13其一或者其二为软材料。
如图6所示，四轴打印机的运动方式：四轴打印机由四个自由度，空间的平动和一绕轴的旋转，具体表现打印平台可以分别沿着x，y，z移动，可以绕z轴旋转，这四种运动既可以独立也可以同时进行。四轴打印机打印过程：喷嘴以某一姿态固定在空间某一位置，喷嘴的姿态用喷嘴打印出的复合材料中心线与y轴的夹角α表示，喷嘴的位置用喷嘴在打印平台的位置(x，y，z)表示；打印平台根据输入模型和工艺参数，通过软硬材料混合的连续纤维增强打印方法生成四轴打印机的控制代码，从而控制打印平台移动及喷嘴的温控等，完成模型的软硬材料混合的连续纤维增强分层机构的打印。
如图7所示，为本发明实施例中连续纤维增强软硬混合热塑性基构件的打印成品示意图，打印出的成品具有较好的机械性能，产品中软硬混合材料界面的融合较好。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种连续纤维增强软硬混合热塑性基构件原位制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)输入需要增材制造的模型和相应的工艺参数，所述的工艺参数包括分层厚度δ、插补精度I、喷嘴在打印坐标系中的姿态PN、打印速度S和喷嘴控制温度T；
所述喷嘴的进料端设有一个连续纤维进口和四个混合材料进口；其中，连续纤维进口位于中心，四个混合材料进口均匀布置在连续纤维进口的四周，与连续纤维进口的间距为15～25mm；喷嘴在连续纤维进口和混合材料进口之间的位置设有加热模块和温控模块；
所述喷嘴的出料端设有一个连续纤维出口和四个混合材料出口，四个混合材料出口均匀布置在连续纤维出口的四周，与连续纤维出口的间距为0.2～2.5mm；
(2)根据输入的分层厚度δ，将输入模型进行切片，得出有n层的初始的切片路径Path；
(3)计算获取切片路径Path第1层的中心点Pc，并将切片路径Path偏置到以Pc为原点的坐标系，偏置后的路径为Patho；
(4)根据插补精度I，将每层的路径插补到指定的精度，插补后的路径为PathI；
(5)计算PathI到达喷嘴Pi指定姿态α需要的角度θ，记录每层角度θ为0时的索引值Indexi，取所有层索引值的众数重新调整PathI每层路径的起始和终点接缝，调整接缝后的路径为Pathend；
(6)将Pathend转为极坐标表示(r,θ)，生成四轴打印机的打印路径Px,y,z,θ，并根据打印速度S和喷嘴控制温度T，生成四轴打印机的控制代码，并利用四轴打印机进行打印。
2.根据权利要求1所述的连续纤维增强软硬混合热塑性基构件原位制造方法，其特征在于，步骤(2)中，切片的层数n>10。
3.根据权利要求1所述的连续纤维增强软硬混合热塑性基构件原位制造方法，其特征在于，步骤(3)中，将切片路径Path偏置到以Pc为原点的坐标系后，与打印坐标系重合。
4.根据权利要求1所述的连续纤维增强软硬混合热塑性基构件原位制造方法，其特征在于，步骤(4)中，插补后路径的精度比未插补前高，且每层路径点分布更均匀。
5.根据权利要求1所述的连续纤维增强软硬混合热塑性基构件原位制造方法，其特征在于，步骤(5)中，调整接缝后的路径为Pathend未改变路径点的坐标，只是改变了每层起点和终点的位置。
6.根据权利要求1所述的连续纤维增强软硬混合热塑性基构件原位制造方法，其特征在于，步骤(5)中，喷嘴Pi指定姿态用喷嘴打印出的复合材料中心线与y轴的夹角α表示。
7.根据权利要求1所述的连续纤维增强软硬混合热塑性基构件原位制造方法，其特征在于，步骤(6)中，生成的四轴打印机控制代码包括运动控制代码和温度控制代码。
8.根据权利要求1所述的连续纤维增强软硬混合热塑性基构件原位制造方法，其特征在于，步骤(6)中，四轴打印机拥有四个自由度，其打印平台拥有四种运动方式，包括分别沿着x、y、z轴方向的直线运动以及绕z轴的旋转运动，四种运动方式既可以独立也可以同时进行。
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