CN114131926B - 一种连续纤维增强复合材料光固化3d打印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种连续纤维增强复合材料光固化3D打印装置及方法，涉及3D打印技术领域；该装置包括通过水平设置的隔板分隔为上腔体和下腔体的沉积注射器，上腔体内活动连接有转轴，转轴上固定套设有滚筒，滚筒上缠绕有连续纤维，下腔体内竖直设置有毛细管，毛细管上端穿过隔板后位于上腔体内，毛细管下端位于针头上方，连续纤维一端穿过毛细管后从针头处穿出，下腔体内设置有打印基体溶液；沉积注射器连接有加压机构，沉积注射器外部分别固定连接有紫外线点光源和连续纤维剪切装置，紫外线点光源和连续纤维剪切装置均位于靠近针头位置处。本发明基于上述装置的打印方法实现了不连续路径的打印，提升了连续纤维增强复合材料3D打印的制造灵活性。

Description

一种连续纤维增强复合材料光固化3D打印装置及方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种连续纤维增强复合材料光固化3D打印装置及方法。

背景技术

3D打印融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术，是一种以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。与传统的机械加工方式相比，3D打印技术大大减少了加工工序，缩短了加工周期，可根据实际的需求实现个性化加工，但纯热塑性树脂3D打印零件的机械性能不及传统机械加工，无法满足航空航天、汽车制造等领域的制件要求。

连续纤维增强复合材料具有优异的力学性能，其拉伸强度高，模量大，密度小，具有较高的比强度和很高的比模量，同时连续纤维增强复合材料还具有耐疲劳性好，耐腐蚀，抗老化，使用寿命长等特点，目前已经被广泛应用于航空航天、先进轨道交通等诸多领域。树脂基复合材料的成型方法有手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型等，虽然树脂基复合材料的成型方法有很多，但这些传统成型方法无法直接制造出形状构型复杂的零件，而且制造过程中需要大量的人力劳动。

为了提高纯热塑性树脂3D打印零件的机械性能，国内外研究机构研发出连续纤维增强复合材料FDM3D打印技术，利用FDM3D打印技术成型复合材料构件既能发挥3D打印制造灵活性，同时提高打印零件的机械性能。但现有的连续纤维增强复合材料3D打印试件的机械性能受FDM工艺参数如打印喷头温度、打印平台温度等影响较大，且FDM工艺中熔融树脂对纤维的浸渍时间短，浸渍效果差，连续纤维增强复合材料FDM工艺对于3D打印零件的机械性能提升有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种连续纤维增强复合材料光固化3D打印装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现了不连续路径的打印，提升了连续纤维增强复合材料3D打印的制造灵活性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种连续纤维增强复合材料光固化3D打印装置，包括底部设置有针头且内部中空的沉积注射器，所述沉积注射器内通过水平设置的隔板分隔为上腔体和下腔体，所述上腔体内活动连接有水平设置的转轴，所述转轴上固定套设有滚筒，所述滚筒上缠绕有连续纤维，所述下腔体内竖直设置有毛细管，所述毛细管上端穿过所述隔板后位于所述上腔体内，所述毛细管下端位于所述针头上方，所述连续纤维一端穿过所述毛细管后从所述针头处穿出，所述下腔体内设置有打印基体溶液；所述沉积注射器连接有加压机构，所述沉积注射器外部分别固定连接有紫外线点光源和连续纤维剪切装置，所述紫外线点光源和连续纤维剪切装置均位于靠近所述针头位置处。

可选的，所述沉积注射器外部固定连接有紫外线光源支架，所述紫外线点光源安装于所述紫外线光源支架上。

可选的，所述连续纤维剪切装置包括固定支座，所述固定支座固定连接在所述沉积注射器外部靠近所述针头处；所述固定支座内部一端固定设置有电机，所述电机的输出轴固定连接有螺杆，所述螺杆远离所述电机的一端与所述固定支座侧壁活动连接，所述螺杆上螺纹连接有滑块，所述固定支座靠近所述电机一端的底部固定连接有刀片安装轴，所述刀片安装轴底部活动安装有两个呈十字交叉布置的剪切刀片，所述滑块底部固定连接有连杆安装轴，所述连杆安装轴底部连接有两个连杆，两个所述连杆末端分别与两个所述剪切刀片末端铰接。

可选的，所述固定支座上固定设置有与所述螺杆平行的导向杆，所述导向杆位于所述螺杆下方，所述滑块一端活动穿设于所述螺杆上，另一端活动穿设于所述导向杆上。

可选的，所述加压机构包括两个气泵，其中一个气泵通过软管与所述沉积注射器的上腔体连接，另一个气泵通过软管与溶液存储推进器上端连接，所述溶液存储推进器下端通过软管与所述沉积注射器的下腔体连接；所述溶液存储推进器内安装有竖直设置的中心轴，所述中心轴上套设有活塞，所述活塞与所述溶液存储推进器内壁接触连接，所述溶液存储推进器内放置有打印基体溶液，所述打印基体溶液位于所述活塞下方。

可选的，所述沉积注射器上方设置有固定连接块，所述沉积注射器通过固定连接块固定在外部3D打印机支架上。本发明设计了紫外线点光源固化结构用于固化针头处挤出的复合材料，此外设计了连续纤维剪切装置，实现了不连续路径的打印，上述设计的结构提升了连续纤维增强复合材料3D打印的制造灵活性。其次，通过对毛细管顶端所在的上腔体施加一定的压力，使此处压力等于注射器的收敛部分和针头部分之间连接处的压力，不仅可以避免打印基体溶液在压力的作用下进入毛细管内，阻碍连续纤维的挤出，还阻止了毛细管上腔体的空气进入下腔体，有利于挤出的复合材料中打印基体溶液对连续纤维包裹均匀，提高打印的复合材料结构的表面质量和力学性能。

本发明还提供一种连续纤维增强复合材料光固化3D打印方法，包括如下步骤：

1)对于打印的结构，首先使用Cura等切片软件进行分层切片，得到连续纤维复合材料光固化3D打印的指令文件(G代码文件)，并导入到3D打印机中用于指导实际的打印工作；

2)选定连续纤维增强复合材料3D打印所需的连续纤维和打印基体溶液，连续纤维为碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维，打印基体溶液包括形状记忆聚合物单体、液晶弹性体单体等具有一定特性的功能性材料的单体。

3)打印过程中气泵对溶液存储推进器的活塞施加压力，从而使打印基体溶液通过软管流入沉积注射器中，并从沉积注射器针头处挤出，打印基体溶液具有足够强的粘性，能粘附连续纤维一同从针头处挤出，在挤出过程中滚筒对连续纤维直接起到张紧的作用，便于连续纤维的挤出；

4)挤出过程中使用气泵对沉积注射器的上腔体施加压力，并调节此压力的大小，使气泵对沉积注射器的上腔体施加的压力等于注射器的收敛部分和针头部分之间连接处的压力，这样设计不仅可以避免打印基体溶液在压力的作用下进入毛细管内，阻碍连续纤维的挤出，还阻止了沉积注射器上腔体的空气进入下腔体，有利于挤出的复合材料中打印基体溶液对连续纤维包裹均匀，提高打印的复合材料结构的质量；

5)复合材料挤出后，固定在沉积注射器外壳上的紫外线点光源对其进行照射固化，复合材料固化后附着在打印平台上，沉积注射器根据打印指令文件进行运动完成一层复合材料的打印；

6)一层复合材料打印完成后，电机带动螺杆做旋转运动，滑块沿着螺杆和导向杆做直线运动，从而带动平面四连杆机构实现开合运动，实现对连续纤维的剪切，然后沉积注射器根据指令文件运动到下一层的指定位置进行打印，逐层打印直至打印出最终的目标结构，打印完成的结构需再次经过紫外光源照射固化，进一步提升打印结构的力学性能。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明与传统纯热塑性材料3D打印相比，打印结构的力学性能得到了极大的提升，且可用于打印智能材料，可充分发挥智能材料的优异特性。连续纤维剪切装置，实现了不连续路径的打印，提升了连续纤维增强复合材料3D打印的制造灵活性。通过控制毛细管上下腔体压力差，不仅可以避免打印基体溶液在压力的作用下进入毛细管内，阻碍连续纤维的挤出，还阻止了毛细管上腔体的空气进入下腔体，有利于挤出的复合材料中打印基体溶液对连续纤维包裹均匀，提高打印的复合材料结构的表面质量和力学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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讲，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的附图。

图1为本发明连续纤维增强复合材料光固化3D打印装置结构示意图；

图2为本发明沉积注射器结构示意图；

图3为本发明溶液存储推进器结构示意图；

图4为本发明连续纤维剪切装置结构示意图；

其中，1为沉积注射器、2为紫外线光源支架、3为紫外线点光源、4为毛细管、5为连续纤维、6为溶液存储推进器、7为软管、8为气泵、9为隔板、10为滚筒、11为转轴、12为固定连接块、13为中心轴、14为打印基体溶液、15为剪切刀片、16为活塞、17为连杆、18为连杆安装轴、19为导向杆、20为滑块、21为螺杆、22为电机、23为固定支座、24为刀片安装轴。

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。

本发明的目的是提供一种连续纤维增强复合材料光固化3D打印装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现了不连续路径的打印，提升了连续纤维增强复合材料3D打印的制造灵活性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1、图2、图3和图4，本发明提供一种连续纤维增强复合材料光固化3D打印装置，包括沉积注射器1，沉积注射器中间通过隔板9将整个沉积注射器1分隔成上腔体和下腔体两部分，下腔体盛有基体溶液14；隔板9上腔体里滚筒10通过转轴11固定在沉积注射器1上，连续纤维5缠绕在滚筒10上；隔板9中心处开有一小孔，毛细管4从该小孔中穿过；沉积注射器1外壳连接有紫外线光源支架2，紫外线光源支架2上固定有紫外线点光源3；沉积注射器1靠近针头处一个固定支座23通过螺钉固定在沉积注射器1上，电机22固定在固定支座23上，螺杆21一端与电机输出轴相连，另一端安装在固定支座23侧壁上，导向杆19安装在固定支座23上，滑块20安装在螺杆21和导向杆19上，滑块20下端连接有连杆安装轴18，两根连杆17一端安装在连杆安装轴18上，另一端分别和两个剪切刀片15末端铰接，形成四连杆机构，两个剪切刀片15通过刀片安装轴24呈十字形设置在固定支座23上；沉积注射器1一侧通过软管7与溶液存储推进器6连接，溶液存储推进器6中的活塞16套在中心轴13上，溶液存储推进器6顶部和沉积注射器1顶部分别通过软管7和气泵8连接；沉积注射器1通过固定连接块12固定在外部3D打印机支架上。

本发明还提供一种连续纤维增强复合材料光固化3D打印方法，对于打印的结构，首先使用Cura等切片软件进行分层切片，得到连续纤维复合材料光固化3D打印的指令文件(G代码文件)，并导入到3D打印机中用于指导实际的打印工作；选定连续纤维增强复合材料3D打印所需的连续纤维5和打印基体溶液14，连续纤维5为碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维，打印基体溶液14包括形状记忆聚合物单体、液晶弹性体单体等具有一定特性的功能性材料的单体；打印开始前将滚筒10上缠绕的连续纤维通过毛细管4送至沉积注射器1的针头处，再从沉积注射器1针头处穿出，通过粘结剂固定在外部3D打印平台上。打印开始时，通过气泵8对溶液存储推进器6的活塞16施加压力，从而使打印基体溶液14从沉积注射器1针头处挤出，打印基体溶液14具有足够强的粘性，能粘附连续纤维5一同从针头处挤出，在挤出过程中滚筒10自动起到张紧作用，复合材料挤出后紫外线点光源3对其进行照射固化，复合材料固化后附着在打印平台上。打印过程中同时通过气泵8对沉积注射器1上腔体施加一定的压强，防止打印基体溶液14进入毛细管阻碍连续纤维5的输送。一层复合材料打印完成后，电机22带动螺杆21做旋转运动，滑块20沿着螺杆21和导向杆19做直线运动，从而带动平面四连杆机构实现开合运动，实现对连续纤维5的剪切，然后沉积注射器1运动到下一层的指定位置进行打印，重复上述步骤，直至打印完成。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种连续纤维增强复合材料光固化3D打印装置，其特征在于：包括底部设置有针头且内部中空的沉积注射器，所述沉积注射器内通过水平设置的隔板分隔为上腔体和下腔体，所述上腔体内活动连接有水平设置的转轴，所述转轴上固定套设有滚筒，所述滚筒上缠绕有连续纤维，所述下腔体内竖直设置有毛细管，所述毛细管上端穿过所述隔板后位于所述上腔体内，所述毛细管下端位于所述针头上方，所述连续纤维一端穿过所述毛细管后从所述针头处穿出，所述下腔体内设置有打印基体溶液；所述沉积注射器连接有加压机构，所述沉积注射器外部分别固定连接有紫外线点光源和连续纤维剪切装置，所述紫外线点光源和连续纤维剪切装置均位于靠近所述针头位置处；所述加压机构包括两个气泵，其中一个气泵通过软管与所述沉积注射器的上腔体连接，另一个气泵通过软管与溶液存储推进器上端连接，所述溶液存储推进器下端通过软管与所述沉积注射器的下腔体连接；所述溶液存储推进器内安装有竖直设置的中心轴，所述中心轴上套设有活塞，所述活塞与所述溶液存储推进器内壁接触连接，所述溶液存储推进器内放置有打印基体溶液，所述打印基体溶液位于所述活塞下方。

2.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料光固化3D打印装置，其特征在于：所述沉积注射器外部固定连接有紫外线光源支架，所述紫外线点光源安装于所述紫外线光源支架上。

3.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料光固化3D打印装置，其特征在于：所述连续纤维剪切装置包括固定支座，所述固定支座固定连接在所述沉积注射器外部靠近所述针头处；所述固定支座内部一端固定设置有电机，所述电机的输出轴固定连接有螺杆，所述螺杆远离所述电机的一端与所述固定支座侧壁活动连接，所述螺杆上螺纹连接有滑块，所述固定支座靠近所述电机一端的底部固定连接有刀片安装轴，所述刀片安装轴底部活动安装有两个呈十字交叉布置的剪切刀片，所述滑块底部固定连接有连杆安装轴，所述连杆安装轴底部连接有两个连杆，两个所述连杆末端分别与两个所述剪切刀片末端铰接。

4.根据权利要求3所述的连续纤维增强复合材料光固化3D打印装置，其特征在于：所述固定支座上固定设置有与所述螺杆平行的导向杆，所述导向杆位于所述螺杆下方，所述滑块一端活动穿设于所述螺杆上，另一端活动穿设于所述导向杆上。

5.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料光固化3D打印装置，其特征在于：所述沉积注射器上方设置有固定连接块，所述沉积注射器通过固定连接块固定在外部3D打印机支架上。

6.一种根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料光固化3D打印装置的连续纤维增强复合材料光固化3D打印方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)使用Cura等切片软件进行分层切片，得到连续纤维复合材料光固化3D打印的指令文件，并导入到3D打印机中用于指导实际的打印工作；

2)选定所需的连续纤维和打印基体溶液；

3)开始打印，过程中气泵对溶液存储推进器的活塞施加压力，从而使打印基体溶液通过软管流入沉积注射器中，并粘附连续纤维一同从针头处挤出；

4)挤出过程中使用气泵对沉积注射器的上腔体施加压力，并调节此压力的大小，使气泵对沉积注射器的上腔体施加的压力等于注射器的收敛部分和针头部分之间连接处的压力；

5)复合材料挤出后，固定在沉积注射器外壳上的紫外线点光源对其进行照射固化，复合材料固化后附着在打印平台上，沉积注射器根据打印指令文件进行运动完成一层复合材料的打印；

6)一层复合材料打印完成后，电机带动螺杆做旋转运动，滑块沿着螺杆和导向杆做直线运动，从而带动平面四连杆机构实现开合运动，实现对连续纤维的剪切，然后沉积注射器根据指令文件运动到下一层的指定位置进行打印，逐层打印直至打印出最终的目标结构，打印完成的结构再次经过紫外光源照射固化。

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