CN114474709B

CN114474709B - 一种用于纤维增强复合材料增材制造的打印头及打印方法

Info

Publication number: CN114474709B
Application number: CN202111626657.5A
Authority: CN
Inventors: 单忠德; 宋亚星; 范聪泽; 宋文哲; 刘琳; 张蕾; 刘东榕
Original assignee: Shandong Zhongkang Guochuang Advanced Printing And Dyeing Technology Research Institute Co ltd; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Shandong Zhongkang Guochuang Advanced Printing And Dyeing Technology Research Institute Co ltd; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2023-03-10
Anticipated expiration: 2041-12-28
Also published as: CN114474709A

Abstract

本发明提供一种用于纤维增强复合材料增材制造的打印头及打印方法。本发明中通过对目标制件首层以层厚特征值向外偏置路径轮廓两圈试打印，借助热压模块的压力传感器，获取特定预浸丝材规格下层厚与随行压实的对应关系，实现目标制件模型各层热压压力不同层厚的调整；同时热压前端引入喷墨盒，在预浸丝材经喷嘴挤出后，与上层热压结合前，对结合表面进行基体树脂的雾状喷覆，为表层浮出纤维提供适当基体涂覆，提升与下一层预浸丝材的层间结合性能，最终实现高质量成形。

Description

一种用于纤维增强复合材料增材制造的打印头及打印方法

技术领域

本发明涉及一种用于纤维增强复合材料增材制造的打印头以及随行压实打印方法，属于先进制造技术领域。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料由纤维材料与基体材料构成，具有重量轻、强度高、成形方便、耐腐蚀等优点，主要应用于航空航天、轨道交通、汽车船舶等领域。相比传统的纤维铺放或缠绕制造技术，基于熔融挤出原理的3D打印制造技术凭借更易成形复杂结构，且不需模具，工艺相对简单实现等特性，已成为未来重点的发展趋势。

为提升丝束成形时各层的致密性，热压是目前主流的辅助成形方式。依据热压的实现方式可分为两类，1、热压模块与打印头结构硬连接，随打印头运动，相对位置固定；2、热压模块相对打印头可实现旋转和Z向运动。常见的热压结构并不是原位热压，即丝材经喷嘴挤出后与热压辊有一段空间距离，为应对转向等随行要求，方式2的相对运动功能很有必要。但这对打印头整体结构设计制造提出更高要求。

同时丝束经热压成形，若热压压力不当，其所含热塑性树脂基体会被部分挤压出来，导致表面部分纤维一定程度浮出来，削弱与下层的结合效果，降低制件的层间性能。因此施压数值大小是重要参数不可忽略，且该参数受预浸丝材种类规格影响。

发明内容

本发明提供了一种用于纤维增强复合材料增材制造的打印头及打印方法，目的是弥补因热压导致预浸丝材中部分树脂被挤出造成表面纤维部分浮出而影响与下层粘接效果的热压损伤，最终实现高质量随行压实成形。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于纤维增强复合材料增材制造的打印头，包括加热管、位于加热管底部的热压模块、喷墨盒；加热管顶部为进丝口而底部为出丝口；所述热压模块包括与加热管底部连接的固定架、通过压辊轴安装在固定架下端的压辊；所述压辊轴上围绕有薄膜压力传感器；所述压辊内设有轴承，所述轴承套设在压辊轴上，且薄膜压力传感器位于轴承与压辊轴之间；所述压辊轴两端分别设有加热器和第一温度传感器；所述喷墨盒的喷墨口面对加热管底部的出丝口。

本发明技术方案的有益效果如下：该打印头通过设置热轧辊热压对预浸丝材的随行原位热压，通过热压辊内置的薄膜压力传感器收集实时压力，从而可以依据对目标制件每层压力设置，调整实际打印层厚。同时在热压前端引入喷墨盒，在预浸丝材经喷嘴挤出后，与上层热压结合前，对结合表面进行基体树脂的雾状喷覆，为表层浮出纤维提供适当基体涂覆，提升与下一层预浸丝材的层间结合性能，最终实现高质量成形。

本发明同时提供根据上述纤维增强复合材料增材制造的打印头的打印方法的技术方案，包括以下步骤：

1)依据目标制件成形要求，选择预浸复合丝材规格；

2)将目标制件三维模型导入开源打印切片软件，进行分层离散切片、路径规划、设定打印速度及打印基础工艺参数，得到制件基础打印成形数据G代码；

3)依据预浸丝材材质，设定随行压实模块参数；

4)对加热管进行加热，将预浸丝材以特征层厚进行目标制件首层的试打印，该试打印为对目标制件首层以层厚特征值向外偏置路径轮廓两圈的打印；通过薄膜压力传感器记录试打印阶段的随行压实压力值，并反馈至打印头Z向移动机构调节特征层厚值，获取特定预浸丝材规格下层厚与随行压实的对应关系；基于各层随行压实压力设定值，完成对各层的实际层厚调节，并反馈更新打印成形G代码；

5)基于步骤4)获取的G代码，目标制件按照设定的路径进行打印成形，自第二层成形开始，喷墨盒对着预浸丝材热压处喷出雾状基体树脂，经层层叠加增材成形，直到目标制件完成最终制造。

有益效果：本发明提供的上述打印方法基于纤维增强复合材料增材制造，通过对目标制件首层以层厚特征值向外偏置路径轮廓两圈试打印，借助热压模块的压力传感器，获取特定预浸丝材规格下层厚与随行压实的对应关系，实现目标制件模型各层热压压力不同层厚的调整；同时热压前端引入喷墨盒，在预浸丝材经喷嘴挤出后，与上层热压结合前，对结合表面进行基体树脂的雾状喷覆，为表层浮出纤维提供适当基体涂覆，弥补因热压导致预浸丝材中部分树脂被挤出造成表面纤维部分浮出而影响与下层粘接效果的热压损伤，最终实现高质量随行压实成形。

附图说明

图1为本发明中随行压实打印头整体结构示意图。

图2为本发明中随行压实打印头主要结构拆分示意图。

图3为本发明中随行压实打印头的局部喷墨盒示意图。

图4为本发明中随行压实打印头的热压模块主要结构拆分示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施案例进一步阐明本发明内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施案例。此外，本技术领域人员在阅读了本发明阐述的内容后可对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样适用于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例一

如图1所示，本实施例为一种用于纤维增强复合材料增材制造的打印头，包括加热管、位于加热管底部的热压模块9、喷墨盒6。

在本实施方式中，加热管的结构为：包括喉管3、插入喉管3内部的特氟龙管2、围绕喉管3的加热线圈5、围绕喉管3安装且位于加热线圈5上方的隔热片4、连接于喉管3底部的喷嘴8、围绕喷嘴8安装的支架环7。该喷嘴8的出口为出丝口。特氟龙管2流道直径比预浸丝材直径大0.5～0.8mm，喷嘴8入口直径与特氟龙管2流道直径一致，出口直径比预浸丝材直径大0.1～0.3mm。

所述热压模块包括与支架环7连接的固定架901、通过压辊轴902安装在固定架下端的压辊903。所述压辊轴902上围绕有薄膜压力传感器904以对热压模块9进行压力反馈。所述压辊903内设有轴承905。轴承905套设在压辊轴902上。薄膜压力传感器904位于轴承905与压辊轴902之间。所述压辊轴902两端分别设有加热器906和第一温度传感器907，以对压辊902进行温度反馈控制。所述喷墨盒6通过一个安装板安装于支架环7上。且该喷墨盒6的喷墨口面对喷嘴8的出丝口。支架环7上设有第二温度传感器701。第二温度传感器701对加热线圈5进行加热温度反馈调控。

在具体使用时，第一温度传感器907和第二温度传感器701设定相同的温度阈值，并通过薄膜压力传感器904收集实时压力，从而可以依据对目标制件每层压力设置，调整实际打印层厚。预浸丝材1送出喷嘴8即经压辊902在打印平台10压实。在预浸丝材经喷嘴挤出后，与上层热压结合前，通过喷墨盒6对结合表面进行基体树脂的雾状喷覆，为表层浮出纤维提供适当基体涂覆，提升与下一层预浸丝材的层间结合性能，最终实现高质量成形的复合材料11。

实施例二

本实施例为使用实施例一中纤维增强复合材料增材制造的打印头的打印方法，用以打印出纤维增强复合材料增材。

该打印方法包括以下步骤：

1)依据目标制件成形要求，选择预浸复合丝材1规格。预浸复合丝材规格包括树脂基体种类、增强纤维种类、丝材直径、增强纤维体积分数。预浸复合丝材1的增强体纤维材料适用于碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等连续纤维，树脂基体适用于聚乳酸、TPU、ABS、尼龙、等常见热塑性树脂，也可是添加短纤维或是碳纳米管后的增强基体材料。预浸丝材1经外部送丝机构送入，送丝速度与打印成形速度一致。

2)将目标制件三维模型导入开源打印切片软件，进行分层离散切片、路径规划、设定打印速度及打印基础工艺参数，得到制件基础打印成形数据G代码。打印基础工艺参数包括需与丝材直径相适应的喷嘴直径、喷嘴温度、打印平台温度、特征层厚。

3)依据预浸丝材材质，设定随行压实模块参数；行压实模块参数，包块热压棍温度、成形各层随行压实压力数值。

5)基于步骤4)获取的G代码，目标制件按照设定的路径进行打印成形，自第二层成形开始，喷墨盒6对着预浸丝材1热压处喷出雾状基体树脂，经层层叠加增材成形，直到目标制件完成最终制造。喷墨盒6所喷雾状树脂与预浸丝材1基体材料一致，喷射位置为预浸丝材1在热压前端。喷墨盒6有若干微小喷墨口，且分区可控，基于预浸丝材1成形道宽进行针对性区域性喷墨，热压会导致成形表面树脂被挤出，表面纤维一定程度浮出，而降低与下一层的粘合性，通过喷墨盒6定区喷墨，可提升层间的粘合性，优化层间性能。

本实施例同时提供一个通过上述打印方法的一个具体应用案例。

1)目标制件定为1.5mm×1.5mm×2.3mm的长方体，依据目标制件成形要求，选择确定预浸复合丝材规格为(SCF+PLA)/CCF(基体是添加质量分数为5％短碳纤维的PLA，增强体为1K连续碳纤维)，丝材直径为0.8mm，其纤维体积分数约为10％；

2)将目标制件三维模型导入开源打印切片软件Repetier-Host，进行分层离散切片、路径规划、设定打印速度打印基础工艺参数，喷嘴直径1mm、喷嘴温度210℃、打印平台温度60℃、打印速度4mm/s、特征层厚0.5mm，形成制件基础打印成形数据G代码；

3)设定随行压实模块参数，热压棍温度210℃、成形各层随行压实压力数值(1-5层：4.3N、4.1N、4N、4.1N、4.3N)；

4)通过加热线圈5对喉管3直接加热，提升喉管3内部特氟龙管2通道温度。当第一温度传感器907和第二温度传感器701均检测到设定温度210℃，预浸丝材1以特征层厚在打印平台10进行目标制件首层的向外偏置路径轮廓试打印两圈，期间通过薄膜压力传感器904记录随行压实压力值，并反馈至打印头Z向移动机构调节特征层厚值，获取特定预浸丝材规格下层厚与随行压实的对应关系；基于各层随行压实压力设定值，完成对各层的实际层厚调节(1-5层：0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.45mm、0.4mm)，并反馈更新打印成形G代码；

5)基于步骤4)获取的G代码，目标制件按照设定的路径进行打印成形，第二层成形开始，喷墨盒6开启中区喷孔对着预浸丝材热压处喷出雾状基体树脂，提升热压粘合性，经层层叠加增材成形，直到目标制件完成最终制造。

Claims

1.一种纤维增强复合材料增材制造的打印头的打印方法，打印头包括加热管、位于加热管底部的热压模块、喷墨盒；加热管顶部为进丝口而底部为出丝口；

所述热压模块包括与加热管底部连接的固定架、通过压辊轴安装在固定架下端的压辊；所述压辊轴上围绕有薄膜压力传感器；所述压辊内设有轴承，所述轴承套设在压辊轴上，且薄膜压力传感器位于轴承与压辊轴之间；所述压辊轴两端分别设有加热器和第一温度传感器；

所述喷墨盒的喷墨口面对加热管底部的出丝口；

还包括支架环，所述支架环将喉管连接喷嘴，所述支架环上设有第二温度传感器；

第一温度传感器和第二温度传感器设定相同的温度阈值；

其特征在于，包括以下步骤：

1）依据目标制件成形要求，选择预浸复合丝材规格；

2）将目标制件三维模型导入开源打印切片软件，进行分层离散切片、路径规划、设定打印速度及打印基础工艺参数，得到制件基础打印成形数据G代码；

3）依据预浸丝材材质，设定随行压实模块参数；

4）对加热管进行加热，将预浸丝材以特征层厚进行目标制件首层的试打印，该试打印为对目标制件首层以特征层厚向外偏置路径轮廓两圈的打印；通过薄膜压力传感器记录试打印阶段的随行压实压力值，并反馈至打印头Z向移动机构调节特征层厚，获取特定预浸丝材规格下层厚与随行压实的对应关系；基于各层随行压实压力设定值，完成对各层的实际层厚调节，并反馈更新打印成形G代码；

5）基于步骤4）获取的G代码，目标制件按照设定的路径进行打印成形，自第二层成形开始，喷墨盒对着预浸丝材热压处喷出雾状基体树脂，经层层叠加增材成形，直到目标制件完成最终制造。

2.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于，步骤1）中，预浸复合丝材规格包括树脂基体种类、增强纤维种类、丝材直径、增强纤维体积分数。

3.根据权利要求2所述的打印方法，其特征在于，步骤2）中的打印基础工艺参数包括需与丝材直径相适应的喷嘴直径、喷嘴温度、打印平台温度、特征层厚。

4.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于，步骤3）中的行压实模块参数，包块热压棍温度、成形各层随行压实压力数值。

5.根据权利要求4所述的打印方法，其特征在于，喷墨盒设有若干微小喷墨口，且分区可控，基于预浸丝材成形道宽进行区域性喷墨。

6.根据权利要求5所述的打印方法，其特征在于，预浸丝材经外部送丝机构送入，送丝速度与打印成形速度一致。