[发明专利]一种压力调控的连续纤维复合材料FDM 3D打印方法

说明书

本发明一种压力调控的连续纤维复合材料FDM 3D打印方法属于复合材料熔融沉积3D打印领域，涉及一种通过调控打印挤压力的方式来进行连续纤维复合材料的FDM 3D打印方法。该方法采用压力调控的FDM 3D打印系统，打印系统由连续纤维3D打印机，压力传感器，信息采集模块，Z轴驱动模块和计算机控制系统组成。首先将打印工件三维模型的设置参数导入计算机中，采集实时压力控制，并设置打印挤压力的波动范围；分别执行底层、中间层、顶层打印。采用纯热塑性树脂材料打印顶层，保证表面的平整性。该方法采用控制压力稳定的打印方式，避免了连续纤维在传统等间距打印时发生折断、脱粘等失效破坏，为实现高质量的连续纤维复合材料FDM 3D打印提供了一种有效方法。

技术领域

本发明属于复合材料熔融沉积3D打印领域，涉及一种通过调控打印挤压力的方式来进行连续纤维复合材料的FDM 3D打印方法。

技术背景

随着航空航天事业的迅猛发展，轻质高强的飞机结构对提高飞行性能、降低飞行成本起着至关重要的作用。纤维增强复合材料由于高强度、高模量的优异材料性能，近年来在航空航天领域的应用越来越广泛。传统的纤维增强复合材料构件要经过铺放固化、加工装配等复杂成型过程，且无法满足复杂构件的快速制造要求，大大限制了纤维增强复合材料在复杂结构制造上的推广应用。

3D打印是一种区别于传统减材制造技术的成型技术，通过分层切片技术可以直接将零件的三维模型信息转化为数据信息，3D打印机按切片后的数据文件将材料层层堆积快速成型为完整零件。这极大的缩短了制造周期、降低了制造成本。连续纤维复合材料3D打印技术是一种以热塑性树脂材料为基体相，连续纤维为增强相的新型成型技术，可以实现高性能纤维增强复合材料零件快速制造的要求，通过精准控制连续纤维走向、调控纤维含量，获得更高性能的复合材料构件。然而，连续纤维丝与热塑性树脂两相间性能差异巨大，热塑性树脂材料可以加热熔融成流动状态，通过喷头定向移动冷却固化，而纤维丝加热前后热力学特性基本不发生改变，无法通过传统的3D打印方法进行共同制造。因此，如何实现两相材料连续均匀挤出已成为迫切需要解决的的核心问题。

武汉斯托得科技有限责任公司专利“一种能打印连续性纤维的3D打印机、打印机喷头及打印机进料结构”，申请号：201610463766.2，该专利采用了传统的熔融沉积打印方式，通过增加一个连续纤维挤丝头，将两种材料一起挤进喷腔中，通过加热喷腔融化后的树脂包裹着连续碳纤维，从喷嘴中连续挤出以实现打印。然而，这类连续纤维复合材料熔融沉积(FDM)3D打印技术都是基于熔融沉积原理，通过增加连续纤维挤丝机以及改善喷头结构来使连续纤维与热塑性树脂结合更紧密，没有着重考虑连续纤维在挤出时所遇到的困难。传统的熔融沉积3D打印技术中每一层层厚固定，已打印的纤维/树脂层表面并不平整，喷嘴与打印层间的打印压力随间隙距离不断变化而变化。连续纤维丝加热后并不具备热塑性树脂良好的流动性，若喷嘴与打印层的压力过大，由于纤维丝的硬脆性，在喷嘴出口处极易发生折断，甚至纤维丝无法从喷嘴挤出并堵塞喷头；若喷嘴与打印层的压力过小，会导致纤维与树脂间压力不够，浸润度差，两相空隙增多，甚至打印压力不足以将纤维压实在树脂间，发生脱粘。

发明内容

本发明为克服现有技术的缺陷，发明一种压力调控的连续纤维复合材料FDM 3D打印方法，该方法采用了压力调控的FDM 3D打印系统由连续纤维3D打印机，压力传感器，信息采集模块，Z轴驱动模块和计算机控制系统组成。通过压力传感器、信息采集模块输入的信息，计算机控制并实时调整喷嘴与打印层间的间隙，进而调整打印时喷嘴与打印层间的压力，让连续纤维从喷嘴连续挤出，并与热塑性树脂紧密结合，实现连续纤维增强复合材料的高质高效制造。