熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統和方法技術方案

本發明專利技術提出了一種熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統和方法，其中雙噴頭為熱塑性樹脂基連續纖維預浸料打印噴頭和熱塑性純樹脂打印噴頭，熱塑性樹脂基連續性纖維預浸料的打印噴頭有熱塑性樹脂基連續纖維預浸料供料、導向、剪斷、加熱和打印壓實的功能，所有的功能可以通過G代碼控制。本方法為通過對要打印的結構件依據實際載荷情況做優化設計，然后根據力學優化結構進行熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的3D打印，打印的結構件可使熱塑性樹脂基連續纖維達到最大的利用率，減少了原材料的使用，降低了加工成本；而且雙噴頭的設計可以實現具有懸臂結構件的打印，其中懸臂結構部分可以使用熱塑性純樹脂打印噴頭打印支撐。

Double nozzle 3D printing system and method for thermoplastic resin based continuous fiber prepreg

The invention provides a double nozzle 3D printing system and method of a thermoplastic resin continuous fiber prepreg, the double nozzle is a thermoplastic resin continuous fiber prepreg print head and thermoplastic resin pure spray printing, thermoplastic resin continuous fiber prepreg printing the nozzle is thermoplastic resin continuous fiber prepreg feeding, orientation, cutting, heating and print compaction function, all the functions can be controlled by G code. This method is through the optimization design of the structure to be printed pieces according to the actual load, then according to the optimization of thermoplastic resin continuous fiber prepreg 3D printing mechanical structure, printing structure can make the thermoplastic resin continuous fiber to achieve the maximum utilization rate, reduce the use of raw material. The processing cost is reduced; and the design of double nozzle can be achieved with a cantilever structure of the print, the cantilever part can use thermoplastic resin spray printing printing support pure.

【技術實現步驟摘要】
熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統和方法
本專利技術主要涉及復合材料3D打印
，具體設計一種熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統和方法。
技術介紹
3D打印是快速成型方式的一種，原理是將三維的模型通過切片降維到二維上，然后逐層打印出三維的結構體。3D打印的這種成型工藝，是有別于傳統減材加工的增材制造方法，不僅減少了原材料的浪費，還降低了復雜結構件的加工難度。現在的3D打印技術除了金屬3D打印以外，其他3D打印工藝所打印的結構件力學強度不夠，只能作為工藝品或展示模型，不能直接作為承力結構使用。強度低的主要原因為現有非金屬3D打印材料多為強度較低的樹脂，如ABS、PLA等。碳纖維、玻璃纖維具有高強度、高模量等優點，是復合材料中常用的增強體。目前，3D打印中最常用的增強材料為纖維粉末、短切纖維增強樹脂,較純樹脂打印件強度有一定程度的提高，但仍不能滿足承力結構件使用要求。因此，許多科研機構開始進行連續纖維3D打印的研究工作。中國專利CN104441658A專利技術了一種連續纖維增強智能復合材料3D打印頭，是將纖維原絲和熱塑性樹脂耗材在打印頭處進行預浸，這種方式打印出來的結構件的彎曲強度達到了335MPa，超過了純樹脂打印件的彎曲強度，但由于在打印過程中預浸時間短且熔融樹脂壓力不足，樹脂沒有與纖維充分浸漬，沒能形成良好的結合界面，纖維的增強作用沒有得到充分發揮。
技術實現思路
本專利技術是針對現有的非金屬3D打印結構件力學性能不高和連續纖維3D打印方法沒有充分發揮連續纖維增強性能等問題，提出了一種熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統和方法。3D打印最顯著的優點就是可定制，從成型工藝上看3D打印是由一維的線根根粘連組合成面，然后由二維的面層層疊加組成三維實體的過程，所以打印過程中每一根材料我們都可以使其充分的發揮作用。打印過程前我們可以對結構件進行力學性能的拓撲優化設計，用最少的材料滿足實際受力，減少連續纖維的使用，在提高打印件的強度的同時降低成本，3D打印雙噴頭的設計還能夠實現懸臂結構的連續纖維打印。為達到以上目的，本專利技術提出以下技術方案：一種熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統，其打印噴頭為雙噴頭設計，所述的雙噴頭安裝在普通的FDM型3D打印機上實現x、y、z三軸運動；包括熱塑性樹脂基連續纖維預浸料3D打印噴頭和熱塑性純樹脂3D打印噴頭；所述熱塑性樹脂基連續纖維預浸料3D打印噴頭包括熱塑性樹脂基連續纖維預浸料、為其提供向下驅動力的連續纖維預浸料供料輥、設置于連續纖維預浸料供料輥下方的金屬導向管、設置于金屬導向管之間的對心剪斷機構、包裹在金屬導向管外表面的散熱片，設置于散熱片下方使熱塑性樹脂熔融的第一加熱塊以及金屬導向管最下端的壓實圓角；所述熱塑性純樹脂3D打印噴頭包括熱塑性純樹脂耗材、為其提供向下驅動力的熱塑性純樹脂供料輥、防止熔融樹脂向上堆積的散熱片、降低摩擦的特氟龍喉管、使熱塑性純樹脂受熱呈熔融態的第二加熱塊以及噴嘴。所述熱塑性樹脂基連續纖維預浸料為截面為圓形的直徑小于1mm的含有連續纖維的連續絲線狀長絲，連續纖維增強體在熱塑性樹脂基體內分布均勻，具有較高的浸漬度，大大提高非金屬3D打印的力學強度。所述連續纖維為碳纖維、玻璃纖維或凱夫拉纖維；所述熱塑性樹脂為ABS、PLA或PEEK。所述連續纖維預浸料供料輥包括兩個輥，一個表面為齒牙狀，增加送絲的摩擦力，另一個為表面光滑的U形輥，保證熱塑性樹脂基連續纖維預浸料在進入打印噴頭時的對中性。所述對心剪斷機構由硬質合金刀片和力矩大且加減速度快的動力源組成，必須迅速剪斷熱塑性樹脂基連續纖維預浸料，保證熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的打印過程連續性。所述第一加熱塊和第二加熱塊采用電加熱棒、陶瓷或電磁加熱，使熱塑性樹脂基連續纖維預浸料中的熱塑性樹脂受熱達到熔融態。所述壓實圓角必須光滑，圓角要大于熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的直徑，以免在打印過程中產生刮膠現象。所述金屬導向管的內徑與熱塑性樹脂基連續纖維預浸料為間隙配合，保證熱塑性樹脂基連續纖維預浸料在金屬導向管內不能產生過大的彎曲，以免連續纖維在加熱段產生堵塞。一種熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印方法，包括如下步驟：S301、分析結構件的實際載荷情況；S302、根據實際載荷情況以及熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的力學性能對結構件進行拓撲優化設計；S303、根據優化設計結果確定最優打印方式；S304、根據最優打印方式確定控制G代碼；S305、執行控制G代碼，完成結構件的熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的3D打印。所述步驟S301的載荷根據仿真分析或測量得到。所述步驟S302的熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的力學性能為各向異性，即沿軸向力學性能遠大于徑向的力學性能，因此，必須讓載荷方向與熱塑性樹脂基連續纖維預浸料打印方向重合，使熱塑性樹脂基連續纖維預浸料軸向承受最大的載荷。所述步驟S302的拓撲優化設計應最大化保持結構件的連續性，以保證熱塑性樹脂基連續纖維預浸料打印過程中的連續性及打印結構的一體性，提高打印速度，增加結構件的力學強度。所述步驟S303的最優打印方式即熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的打印路徑最優以及剪斷次數最少，由于熱塑性樹脂基連續纖維預浸料為各向異性材料，即其沿軸向力學性能遠大于徑向的力學性能，因此，熱塑性樹脂基連續纖維預浸料要沿著載荷的方向打印使熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的軸向承受最大的載荷，而且在打印結構體的內部時盡可能減少連續纖維的剪斷次數，保證打印的連續性和打印結構的一體性。所述步驟S304的控制G代碼包括噴頭移動G代碼，由熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的打印路徑G代碼以及熱塑性純樹脂3D打印噴頭打印支撐部分的移動G代碼組成；連續纖維預浸料供料輥供料G代碼，其供料的速度與噴頭移動速度相同，保證連續纖維正常打印；熱塑性純樹脂供料輥供料G代碼，為具有懸臂的結構件添加支撐部分，所述的支撐強度不高且易于拆除；連續纖維預浸料噴頭加熱溫度G代碼；熱塑性純樹脂打印頭加熱溫度G代碼；連續纖維預浸料的剪斷動作G代碼，保證連續纖維預浸料打印路徑產生較大轉變角度時能夠迅速剪斷連續纖維。與現有技術相比，本專利技術具有如下的優點：本專利技術提出的一種熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統和方法，不僅能夠提高結構件的打印強度，而且可以通過優化設計減少連續纖維的使用量，節約原材料，降低結構件的質量；此外雙噴頭的設計實現具有懸臂結構的連續纖維的3D打印。附圖說明圖1為熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統結構示意圖。圖2為熱塑性樹脂基連續纖維預浸料沿徑向和軸向的截面圖。圖3為熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印方法流程圖。圖4為熱塑性樹脂基連續纖維預浸料3D打印控制代碼。圖5為實施例中的具有懸臂結構的測試樣件。具體實施方式為了使專利技術的優點更清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本專利技術做更進一步的詳細說明。如圖1所示，一種熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統，其打印噴頭為雙噴頭設計，所述的雙噴頭安裝在普通的FDM型3D打印機上實現x、y、z三軸運動；包括熱塑性樹脂基連續纖維預浸料3D打印噴頭401和熱塑性純樹脂3D打印噴頭402；所述熱塑性樹脂基連續纖維預浸料3D打印噴頭401包括熱塑本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統，其打印噴頭為雙噴頭設計，所述的雙噴頭安裝在普通的FDM型3D打印機上實現x、y、z三軸運動；其特征在于，包括熱塑性樹脂基連續纖維預浸料3D打印噴頭（401）和熱塑性純樹脂3D打印噴頭（402）；所述熱塑性樹脂基連續纖維預浸料3D打印噴頭（401）包括熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）、為其提供向下驅動力的連續纖維預浸料供料輥（102）、設置于連續纖維預浸料供料輥（102）下方的金屬導向管（103）、設置于金屬導向管（103）之間的對心剪斷機構（104）、包裹在金屬導向管（103）外表面的散熱片（105），設置于散熱片（105）下方使熱塑性樹脂熔融的第一加熱塊（106）以及金屬導向管（103）最下端的壓實圓角（107）；所述熱塑性純樹脂3D打印噴頭（402）包括熱塑性純樹脂耗材（109）、為其提供向下驅動力的熱塑性純樹脂供料輥（110）、防止熔融樹脂向上堆積的散熱片（105）、降低摩擦的特氟龍喉管（111）、使熱塑性純樹脂受熱呈熔融態的第二加熱塊（112）以及噴嘴（113）。

【技術特征摘要】
1.一種熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統，其打印噴頭為雙噴頭設計，所述的雙噴頭安裝在普通的FDM型3D打印機上實現x、y、z三軸運動；其特征在于，包括熱塑性樹脂基連續纖維預浸料3D打印噴頭（401）和熱塑性純樹脂3D打印噴頭（402）；所述熱塑性樹脂基連續纖維預浸料3D打印噴頭（401）包括熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）、為其提供向下驅動力的連續纖維預浸料供料輥（102）、設置于連續纖維預浸料供料輥（102）下方的金屬導向管（103）、設置于金屬導向管（103）之間的對心剪斷機構（104）、包裹在金屬導向管（103）外表面的散熱片（105），設置于散熱片（105）下方使熱塑性樹脂熔融的第一加熱塊（106）以及金屬導向管（103）最下端的壓實圓角（107）；所述熱塑性純樹脂3D打印噴頭（402）包括熱塑性純樹脂耗材（109）、為其提供向下驅動力的熱塑性純樹脂供料輥（110）、防止熔融樹脂向上堆積的散熱片（105）、降低摩擦的特氟龍喉管（111）、使熱塑性純樹脂受熱呈熔融態的第二加熱塊（112）以及噴嘴（113）。2.根據權利要求1所述的熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統，其特征在于，所述熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）為截面為圓形的直徑小于1mm的含有連續纖維（201）的連續絲線狀長絲，連續纖維（201）增強體在熱塑性樹脂（202）基體內分布均勻，具有較高的浸漬度，大大提高非金屬3D打印的力學強度。3.根據權利要求2所述的熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統，其特征在于，所述連續纖維（201）為碳纖維、玻璃纖維或凱夫拉纖維；所述熱塑性樹脂（202）為ABS、PLA或PEEK。4.根據權利要求1所述的熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統，其特征在于，所述連續纖維預浸料供料輥（102）包括兩個輥，一個表面為齒牙狀，增加送絲的摩擦力，另一個為表面光滑的U形輥，保證熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）在進入打印噴頭時的對中性。5.根據權利要求1所述的熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統，其特征在于，所述對心剪斷機構（104）由硬質合金刀片和力矩大且加減速度快的動力源組成，必須迅速剪斷熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101），保證熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）的打印過程連續性。6.根據權利要求1所述的熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統，其特征在于，所述第一加熱塊（106）和第二加熱塊（112）采用電加熱棒、陶瓷或電磁加熱，使熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）中的熱塑性樹脂（202）受熱達到熔融態。7.根據權利要求1所述的熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭...

【專利技術屬性】
技術研發人員：胡慶夕，段永超，張海光，劉大利，
申請(專利權)人：上海大學，上海宇航系統工程研究所，
類型：發明
國別省市：上海,31