CN206653652U - 液体基质中短纤维定向组装3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种液体基质中短纤维定向组装3D打印装置，包括主机架、数字掩膜光固化系统、控制系统、成型平台和料箱，由步进电机带动滑块沿导轨运动，实现料箱X向与Y向运动；同时料箱由步进电机驱动绕Z轴转动；数字掩膜光固化系统固定于主机架的顶部，位于成型平台正上方，料箱的前后壁底部截面为V型，其两边与基面夹角为α和β，α＝30‑60°，β＝30‑60°。本实用新型可调控多个自由度，实现对纤维材料的灵活组装，打印可编程短纤维增强复合材料。

Description

液体基质中短纤维定向组装3D打印装置

技术领域

本实用新型属于快速成型与数字制造领域，具体涉及一种在3D打印工艺液态基质中使短纤维定向组装的装置。

背景技术

生物材料通常是具有微结构的复合材料，其运用微结构设计，可以实现许多超越人造材料的特殊性能。而纤维是生物材料构建微结构的主要元素之一，通过对纤维几何参数、分布特性及其材料组分的设计，形成各种材料微结构，从而实现所需的材料性能，如螳螂虾的布利钢结构及正弦结构等。目前普遍采用在打印材料中加入纤维、微杆、薄片、碳纳米管及晶须等具有一定长径(宽)比的增强微粒子，在打印过程中采用剪切(摩擦)、磁场、声场及电场诱导的方式，使增强材料定向组装。所采用的3D打印成型技术包括：熔融沉积成型(FDM)、数字掩膜光固化(DLP)以及3D喷墨打印(3DP)等。

但以上诱导方案均存在其固有缺点。如，挤出剪切诱导只能在二维空间组装，且由于挤出打印是逐行成型，行与行之间存在间隙；DLP震荡诱导组装工艺的基质材料粘度不能太高；电磁诱导组装的粒子需要功能化(磁化)，液体基质材料粘度需保持低粘度；声场组装要求液体基质粘度较低等。

本实用新型的显著优点在于：1.可调控多个自由度，实现对短纤维材料的灵活组装。2.对纤维材料敏感度低，可以组装碳纤、玻纤、金属纤维及天然材料纤维；3.供粉、铺粉与定向过程重合，显著提高打印效率；4.可以打印高粘度甚至粉态基质。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种液体基质中短纤维定向组装3D打印装置。在传统粉末床3D打印技术的基础上，在液体成型材料里加入短纤维材料制备成纤维增强浆料。该浆料置于上下开口的长方形料箱中，料箱的前后壁(长边)底部截面为V型，便于铺粉定向。料箱下面与打印装置基面接触，基面上设置有可上下移动的成型平台，铺料时当料箱经过成型平台时，原料依靠重力落下并被料箱后壁铺展在成型平台上。按照此方法，在供料、铺料同时，即可实现纤维的长程有序。且该料箱铺料方向及速度可调，利用其与纤维间的摩擦作用，便可使纤维定向组装。

如图1、图2、图3和图4所示，本实用新型主要部件包含主机架1、数字掩膜光固化系统2、控制系统3、成型平台4、料箱5。由步进电机带动滑块沿导轨运动，实现料箱X向与Y向运动；同时料箱可以由步进电机驱动绕Z轴转动；数字掩膜光固化系统2固定于主机架1的顶部，位于成型平台4正上方。

本实用新型之料箱的前后壁(长边)底部截面形状为V型，其两边与基面夹角为α和β，α＝30-60°，β＝30-60°。

本实用新型所用液态基质材料为光敏树脂，粘度选择范围为300-10000CPS(20℃)；短纤维材料可采用碳纤维、玻纤、金属纤维及天然纤维。纤维截面形状可为圆型、椭圆形及多边形，直径范围为5μm—500μm，长径比范围为10—200，纤维与液体基质比含量为0wt％—85wt％。

本实用新型中铺料过程参数对定向效果影响显著。铺料过程参数包括料仓沿X、Y轴移动的速度与加速度、绕Z轴旋转的速度与加速度以及铺料层厚。由于刮刀几何参数、铺粉厚度、铺粉速度及加速度可调，在定向的过程中，可通过优化以上参数，实现最理想的状态：纤维不产生平移，实现原地旋转定向。具体实施工艺步骤如下：

步骤1：材料的组成及料箱的选择。

选择纤维材料和液态基质材料，确定纤维含量；选择合适的料箱前后壁(长边)底部截面形状。

步骤2：运用3D建模软件(如SolidWorks)建立实体模型，导出STL文件至切片软件，经过该系统的数据分析，生成料箱5沿X、Y轴的移动及绕Z轴旋转的数据，成型平台4沿Z轴移动数据、数字掩膜光固化系统2的图片信息以及曝光时间t。

步骤3：对料箱5、成型平台4进行机械调零，并将预先混合均匀的浆料注入料箱5内，即图11所示。

步骤4：设定单层厚度，成型平台下降一个层厚，即图12所示。根部步骤2中得出的料箱5沿X、Y轴的移动及绕Z轴旋转的数据，料箱5以一定的速度沿着特定的路径行进，料箱后壁致使短纤维沿着特定的取向排布。

步骤5：根据步骤2所得数字掩膜光固化系统2的图片信息以及曝光时间t，对步骤4中单层材料进行选择性区域固化，曝光时间为5-10S，即图13所示。

步骤6：固化完成后，成型平台4下降一个层厚的高度，料箱5按第二层路径数据反向铺料，即图14所示。

步骤7:根据步骤2所得数字掩膜光固化系统2的图片信息以及曝光时间t，对步骤6中单层材料进行选择性区域固化，曝光时间为5-10S，即图15所示。

步骤8：重复步骤4—7，层层堆叠，即图16所示。

步骤9：将立体模型从成型平台4上取出，利用异丙酮溶液清洗多余的光敏树脂。再将制品放入UV灯室进行为时10min的固化后处理。

本实用新型的益处在于：

1.可调控多个自由度，实现对纤维材料的灵活组装，打印可编程短纤维增强复合材料；

2.由于采用机械诱导的简单方式，对纤维材料及基质材料敏感度低，纤维无需磁化处理等复杂工序，基质可为高粘度甚至粉态；

3.在供料、铺料的同时，实现了对纤维的编程，因此提高了打印效率，减少能耗，通用性更强。

附图说明

图1是本专利液体基质中短纤维定向组装3D打印装置的机构主视图。包含主机架1、数字掩膜光固化系统2、控制系统3、成型平台4、料箱5(其中料仓5内剖面区域为液态材料)。

图2是图1对应俯视图。

图3是图1中Ⅰ局部放大图，其中α为刮刀前角，β为刮刀后角，箭头表示铺粉方向。

图4是图1中Ⅱ局部放大图。

图5是本专利液体基质中短纤维定向组装3D打印装置的各个部件运动自由度示意图。

图6为使纤维沿x向定向示意图。

图7为使纤维y向定向示意图。

图8为使纤维沿某一特定角度定向示意图。

图9为使纤维沿着预编程角度定向示意图。

图10是本专利液体基质中短纤维定向组装3D打印装置示意图。其中黑色方框表示已固化区域，点状方框表示未固化区域；

图11、图12、图13、图14、图15和图16是本专利液体基质中短纤维定向组装3D打印方法铺料过程示意图。

图17是本专利液体基质中短纤维定向组装3D打印装置及方法中打印成型的螳螂虾钳部布利钢结构示意图，包含20层。

具体实施方式

本实施例中利用长径比l/d＝20的碳纤维，粘度为1000-1050CPS(25℃)的光敏树脂材料，打印自然界螳螂虾钳部的布利钢结构(该结构上下两层纤维间隔一定角度，呈周期性排列)。

步骤1：材料的组成及料箱的选择。

纤维材料：碳纤维(长径比l/d＝20，长度l为0.1mm)，截面形状为椭圆形。

基质材料：光敏树脂A(硬质相)：光敏树脂B(软质相)＝2:1；硅烷偶联剂：树脂材料＝0.5％。

纤维含量：5wt％。

料箱几何参数：料箱前后壁的后角β为30度，前角α为90度。

按照以上比例机械共混10min，超声分散2h，随后在真空干燥箱中2h脱除气泡。

步骤2：运用3D建模软件(如SolidWorks)建立实体模型，导出STL文件至切片软件，经过该系统的数据分析，生成料箱5沿X、Y轴的移动及绕Z轴旋转的数据，成型平台4沿Z轴移动数据、数字掩膜光固化系统2的图片信息以及曝光时间t。

步骤3：对料箱5、成型平台4进行机械调零，并将预先混合均匀的浆料注入料箱5内，即图11所示。

步骤4：设定单层厚度为0.6mm，控制系统3使成型平台4下降一个层厚，即图12所示。根部步骤2中得出的料箱5沿X、Y轴的移动及绕Z轴旋转的数据，料箱以10mm/s的速度沿着特定的路径行进，料箱后壁致使纤维沿着特定的取向排布。

步骤5：根据步骤2所得数字掩膜光固化系统2的图片信息以及曝光时间t，对步骤4中单层材料进行选择性区域固化，曝光时间为5S，即图13所示。

步骤6：固化完成后，成型平台4下降一个层厚的高度，料箱5按第二层路径数据反向铺料，即图14所示。

步骤7:根据步骤2所得数字掩膜光固化系统2的图片信息以及曝光时间t，对步骤6中单层材料进行选择性区域固化，曝光时间为5S，即图15所示

步骤8：重复步骤4—7，层层堆叠，即图16所示。重复20次，得到厚度为12mm的布利钢结构，即图17所示。

步骤9：将立体模型从成型平台取出，利用异丙醇清洗多余的光敏树脂。再将制品放入UV灯室进行为时10min的固化后处理。

Claims (2)

1.一种液体基质中短纤维定向组装3D打印装置，其特征在于：包括主机架(1)、数字掩膜光固化系统(2)、控制系统(3)、成型平台(4)和料箱(5)，由步进电机带动滑块沿导轨运动，实现料箱(5)X向与Y向运动；同时料箱(5)由步进电机驱动绕Z轴转动；数字掩膜光固化系统(2)固定于主机架(1)的顶部，位于成型平台(4)正上方。

2.根据权利要求1所述的一种液体基质中短纤维定向组装3D打印装置，其特征在于：所述料箱(5)的前后壁底部截面为V型，其两边与基面夹角为α和β，α＝30-60°，β＝30-60°。