热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统和方法技术方案

本发明专利技术提出了一种热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统和方法，其中双喷头为热塑性树脂基连续纤维预浸料打印喷头和热塑性纯树脂打印喷头，热塑性树脂基连续性纤维预浸料的打印喷头有热塑性树脂基连续纤维预浸料供料、导向、剪断、加热和打印压实的功能，所有的功能可以通过G代码控制。本方法为通过对要打印的结构件依据实际载荷情况做优化设计，然后根据力学优化结构进行热塑性树脂基连续纤维预浸料的3D打印，打印的结构件可使热塑性树脂基连续纤维达到最大的利用率，减少了原材料的使用，降低了加工成本；而且双喷头的设计可以实现具有悬臂结构件的打印，其中悬臂结构部分可以使用热塑性纯树脂打印喷头打印支撑。

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.

【技术实现步骤摘要】
热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统和方法
本专利技术主要涉及复合材料3D打印
，具体设计一种热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统和方法。
技术介绍
3D打印是快速成型方式的一种，原理是将三维的模型通过切片降维到二维上，然后逐层打印出三维的结构体。3D打印的这种成型工艺，是有别于传统减材加工的增材制造方法，不仅减少了原材料的浪费，还降低了复杂结构件的加工难度。现在的3D打印技术除了金属3D打印以外，其他3D打印工艺所打印的结构件力学强度不够，只能作为工艺品或展示模型，不能直接作为承力结构使用。强度低的主要原因为现有非金属3D打印材料多为强度较低的树脂，如ABS、PLA等。碳纤维、玻璃纤维具有高强度、高模量等优点，是复合材料中常用的增强体。目前，3D打印中最常用的增强材料为纤维粉末、短切纤维增强树脂,较纯树脂打印件强度有一定程度的提高，但仍不能满足承力结构件使用要求。因此，许多科研机构开始进行连续纤维3D打印的研究工作。中国专利CN104441658A专利技术了一种连续纤维增强智能复合材料3D打印头，是将纤维原丝和热塑性树脂耗材在打印头处进行预浸，这种方式打印出来的结构件的弯曲强度达到了335MPa，超过了纯树脂打印件的弯曲强度，但由于在打印过程中预浸时间短且熔融树脂压力不足，树脂没有与纤维充分浸渍，没能形成良好的结合界面，纤维的增强作用没有得到充分发挥。
技术实现思路
本专利技术是针对现有的非金属3D打印结构件力学性能不高和连续纤维3D打印方法没有充分发挥连续纤维增强性能等问题，提出了一种热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统和方法。3D打印最显著的优点就是可定制，从成型工艺上看3D打印是由一维的线根根粘连组合成面，然后由二维的面层层叠加组成三维实体的过程，所以打印过程中每一根材料我们都可以使其充分的发挥作用。打印过程前我们可以对结构件进行力学性能的拓扑优化设计，用最少的材料满足实际受力，减少连续纤维的使用，在提高打印件的强度的同时降低成本，3D打印双喷头的设计还能够实现悬臂结构的连续纤维打印。为达到以上目的，本专利技术提出以下技术方案：一种热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统，其打印喷头为双喷头设计，所述的双喷头安装在普通的FDM型3D打印机上实现x、y、z三轴运动；包括热塑性树脂基连续纤维预浸料3D打印喷头和热塑性纯树脂3D打印喷头；所述热塑性树脂基连续纤维预浸料3D打印喷头包括热塑性树脂基连续纤维预浸料、为其提供向下驱动力的连续纤维预浸料供料辊、设置于连续纤维预浸料供料辊下方的金属导向管、设置于金属导向管之间的对心剪断机构、包裹在金属导向管外表面的散热片，设置于散热片下方使热塑性树脂熔融的第一加热块以及金属导向管最下端的压实圆角；所述热塑性纯树脂3D打印喷头包括热塑性纯树脂耗材、为其提供向下驱动力的热塑性纯树脂供料辊、防止熔融树脂向上堆积的散热片、降低摩擦的特氟龙喉管、使热塑性纯树脂受热呈熔融态的第二加热块以及喷嘴。所述热塑性树脂基连续纤维预浸料为截面为圆形的直径小于1mm的含有连续纤维的连续丝线状长丝，连续纤维增强体在热塑性树脂基体内分布均匀，具有较高的浸渍度，大大提高非金属3D打印的力学强度。所述连续纤维为碳纤维、玻璃纤维或凯夫拉纤维；所述热塑性树脂为ABS、PLA或PEEK。所述连续纤维预浸料供料辊包括两个辊，一个表面为齿牙状，增加送丝的摩擦力，另一个为表面光滑的U形辊，保证热塑性树脂基连续纤维预浸料在进入打印喷头时的对中性。所述对心剪断机构由硬质合金刀片和力矩大且加减速度快的动力源组成，必须迅速剪断热塑性树脂基连续纤维预浸料，保证热塑性树脂基连续纤维预浸料的打印过程连续性。所述第一加热块和第二加热块采用电加热棒、陶瓷或电磁加热，使热塑性树脂基连续纤维预浸料中的热塑性树脂受热达到熔融态。所述压实圆角必须光滑，圆角要大于热塑性树脂基连续纤维预浸料的直径，以免在打印过程中产生刮胶现象。所述金属导向管的内径与热塑性树脂基连续纤维预浸料为间隙配合，保证热塑性树脂基连续纤维预浸料在金属导向管内不能产生过大的弯曲，以免连续纤维在加热段产生堵塞。一种热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印方法，包括如下步骤：S301、分析结构件的实际载荷情况；S302、根据实际载荷情况以及热塑性树脂基连续纤维预浸料的力学性能对结构件进行拓扑优化设计；S303、根据优化设计结果确定最优打印方式；S304、根据最优打印方式确定控制G代码；S305、执行控制G代码，完成结构件的热塑性树脂基连续纤维预浸料的3D打印。所述步骤S301的载荷根据仿真分析或测量得到。所述步骤S302的热塑性树脂基连续纤维预浸料的力学性能为各向异性，即沿轴向力学性能远大于径向的力学性能，因此，必须让载荷方向与热塑性树脂基连续纤维预浸料打印方向重合，使热塑性树脂基连续纤维预浸料轴向承受最大的载荷。所述步骤S302的拓扑优化设计应最大化保持结构件的连续性，以保证热塑性树脂基连续纤维预浸料打印过程中的连续性及打印结构的一体性，提高打印速度，增加结构件的力学强度。所述步骤S303的最优打印方式即热塑性树脂基连续纤维预浸料的打印路径最优以及剪断次数最少，由于热塑性树脂基连续纤维预浸料为各向异性材料，即其沿轴向力学性能远大于径向的力学性能，因此，热塑性树脂基连续纤维预浸料要沿着载荷的方向打印使热塑性树脂基连续纤维预浸料的轴向承受最大的载荷，而且在打印结构体的内部时尽可能减少连续纤维的剪断次数，保证打印的连续性和打印结构的一体性。所述步骤S304的控制G代码包括喷头移动G代码，由热塑性树脂基连续纤维预浸料的打印路径G代码以及热塑性纯树脂3D打印喷头打印支撑部分的移动G代码组成；连续纤维预浸料供料辊供料G代码，其供料的速度与喷头移动速度相同，保证连续纤维正常打印；热塑性纯树脂供料辊供料G代码，为具有悬臂的结构件添加支撑部分，所述的支撑强度不高且易于拆除；连续纤维预浸料喷头加热温度G代码；热塑性纯树脂打印头加热温度G代码；连续纤维预浸料的剪断动作G代码，保证连续纤维预浸料打印路径产生较大转变角度时能够迅速剪断连续纤维。与现有技术相比，本专利技术具有如下的优点：本专利技术提出的一种热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统和方法，不仅能够提高结构件的打印强度，而且可以通过优化设计减少连续纤维的使用量，节约原材料，降低结构件的质量；此外双喷头的设计实现具有悬臂结构的连续纤维的3D打印。附图说明图1为热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统结构示意图。图2为热塑性树脂基连续纤维预浸料沿径向和轴向的截面图。图3为热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印方法流程图。图4为热塑性树脂基连续纤维预浸料3D打印控制代码。图5为实施例中的具有悬臂结构的测试样件。具体实施方式为了使专利技术的优点更清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本专利技术做更进一步的详细说明。如图1所示，一种热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统，其打印喷头为双喷头设计，所述的双喷头安装在普通的FDM型3D打印机上实现x、y、z三轴运动；包括热塑性树脂基连续纤维预浸料3D打印喷头401和热塑性纯树脂3D打印喷头402；所述热塑性树脂基连续纤维预浸料3D打印喷头401包括热塑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统，其打印喷头为双喷头设计，所述的双喷头安装在普通的FDM型3D打印机上实现x、y、z三轴运动；其特征在于，包括热塑性树脂基连续纤维预浸料3D打印喷头（401）和热塑性纯树脂3D打印喷头（402）；所述热塑性树脂基连续纤维预浸料3D打印喷头（401）包括热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）、为其提供向下驱动力的连续纤维预浸料供料辊（102）、设置于连续纤维预浸料供料辊（102）下方的金属导向管（103）、设置于金属导向管（103）之间的对心剪断机构（104）、包裹在金属导向管（103）外表面的散热片（105），设置于散热片（105）下方使热塑性树脂熔融的第一加热块（106）以及金属导向管（103）最下端的压实圆角（107）；所述热塑性纯树脂3D打印喷头（402）包括热塑性纯树脂耗材（109）、为其提供向下驱动力的热塑性纯树脂供料辊（110）、防止熔融树脂向上堆积的散热片（105）、降低摩擦的特氟龙喉管（111）、使热塑性纯树脂受热呈熔融态的第二加热块（112）以及喷嘴（113）。

【技术特征摘要】
1.一种热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统，其打印喷头为双喷头设计，所述的双喷头安装在普通的FDM型3D打印机上实现x、y、z三轴运动；其特征在于，包括热塑性树脂基连续纤维预浸料3D打印喷头（401）和热塑性纯树脂3D打印喷头（402）；所述热塑性树脂基连续纤维预浸料3D打印喷头（401）包括热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）、为其提供向下驱动力的连续纤维预浸料供料辊（102）、设置于连续纤维预浸料供料辊（102）下方的金属导向管（103）、设置于金属导向管（103）之间的对心剪断机构（104）、包裹在金属导向管（103）外表面的散热片（105），设置于散热片（105）下方使热塑性树脂熔融的第一加热块（106）以及金属导向管（103）最下端的压实圆角（107）；所述热塑性纯树脂3D打印喷头（402）包括热塑性纯树脂耗材（109）、为其提供向下驱动力的热塑性纯树脂供料辊（110）、防止熔融树脂向上堆积的散热片（105）、降低摩擦的特氟龙喉管（111）、使热塑性纯树脂受热呈熔融态的第二加热块（112）以及喷嘴（113）。2.根据权利要求1所述的热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统，其特征在于，所述热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）为截面为圆形的直径小于1mm的含有连续纤维（201）的连续丝线状长丝，连续纤维（201）增强体在热塑性树脂（202）基体内分布均匀，具有较高的浸渍度，大大提高非金属3D打印的力学强度。3.根据权利要求2所述的热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统，其特征在于，所述连续纤维（201）为碳纤维、玻璃纤维或凯夫拉纤维；所述热塑性树脂（202）为ABS、PLA或PEEK。4.根据权利要求1所述的热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统，其特征在于，所述连续纤维预浸料供料辊（102）包括两个辊，一个表面为齿牙状，增加送丝的摩擦力，另一个为表面光滑的U形辊，保证热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）在进入打印喷头时的对中性。5.根据权利要求1所述的热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统，其特征在于，所述对心剪断机构（104）由硬质合金刀片和力矩大且加减速度快的动力源组成，必须迅速剪断热塑性树脂基连续纤维预浸料（101），保证热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）的打印过程连续性。6.根据权利要求1所述的热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统，其特征在于，所述第一加热块（106）和第二加热块（112）采用电加热棒、陶瓷或电磁加热，使热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）中的热塑性树脂（202）受热达到熔融态。7.根据权利要求1所述的热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡庆夕，段永超，张海光，刘大利，
申请(专利权)人：上海大学，上海宇航系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31