[发明专利]一种微波辐照3D打印设备及打印方法

说明书

一种微波辐照3D打印设备及打印方法，包括打印运动平台、直写式石墨烯3D打印头和微波辐照系统；直写式石墨烯3D打印头和微波辐照系统均设置在打印运动平台的上方，直写式石墨烯3D打印头的出口朝向打印运动平台，微波辐照系统发射的微波照射到打印运动平台。

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，特别涉及一种微波辐照3D打印设备及打印方法。

背景技术

近些年，为了提高大型飞机的载重量与飞行距离，树脂基碳纤维增强复合材料在飞机中得到了大量地应用，但是相比传统的金属材料，复合材料树脂基体的导电能力差，使得复合材料对于雷击损伤更加敏感，当雷击电流作用时，电流难以在材料表面导出而生成大量的焦耳热，从而发生严重的击穿、分解、燃烧、碳化等烧蚀行为，严重影响飞机在雷雨天气中的服役安全。目前飞机中纤维增强树脂基复合材料通常需要在表面铺设金属导电层对服役过程中可能遭受的雷击电流进行防护，但是额外添加的金属导电层会大幅增大了飞机本身的重量与制造成本。根据Dexmet公司提供的复合材料雷击保护方案，以Boeing787主体机舱为例，其表面积约为3000m²，若选用0.1mm厚195g/m²铜栅格，整个主体机舱需要额外增加大约590kg重量，每年需要额外消耗61吨的燃油，这无疑将大大增加飞机整体重量以及运行成本。除此之外，金属防护材料易发生腐蚀，并且与树脂粘接强度较低，造成与复合材料之间的表面容易出现空隙，当雷击电流能经过时会产生电弧和火花，可能会引燃结构中的油箱造成爆炸，引发灾难性事故，因此航空公司需要频繁地对飞机进行大量的检修与维修工作，以避免防护层的失效。

为了解决传统金属材料在复合材料防雷击中存在的问题，近些年国内外研究方向朝向非金属基导电防护，旨在避免传统金属防护存在的问题，同时保证复合材料轻质、高强度的性能。国内外研究中非金属基防护材料可以分为两类：一类是采用导电性树脂聚苯胺、聚吡咯等替代原有的绝缘性树脂基体，另一类是在复合材料体系中引入非金属纳米导电材料。但是，目前研究中这两种防护方式仍然难以替代传统的金属防护材料作为飞机复合材料雷击防护手段，这主要一方面是由于非金属防护结构导电能力不足，例如采用碳纳米管、石墨烯以及其他导电碳材料以巴基纸形式作为导电防护层，其表层电导率虽然能够提高到3～200S/cm，但仍与金属导电材料存在较大差距；另一方面，成型工艺不适合大型复合材料结构应用。飞机结构中需要雷击保护的复合材料结构，例如蒙皮、机翼、机舱、起落架等结构，往往尺寸较大，然而目前研究的非金属基防护方式并不适合于大型化复合材料制造要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微波辐照3D打印设备及打印方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种微波辐照3D打印设备，包括打印运动平台、直写式石墨烯3D打印头和微波辐照系统；直写式石墨烯3D打印头和微波辐照系统均设置在打印运动平台的上方，直写式石墨烯3D打印头的出口朝向打印运动平台，微波辐照系统发射的微波照射到打印运动平台；

直写式石墨烯3D打印头包括凝固反应器和直写式打印头；凝固反应器的一端连接直写式打印头，直写式打印头与凝固反应器内部连通；凝固反应器内部设置有凝固反应溶液。

进一步的，凝固反应器的另一端连接有打印材料储存器，打印材料储存器连接有压缩空气泵；打印材料储存器中灌注有氧化石墨烯打印材料。

进一步的，氧化石墨烯打印材料为氧化石墨烯自组装形成的打印材料、通过金属螯合物相连的打印材料或加入打印树脂基体形成的打印材料中的一种。

进一步的，微波辐照系统包括TEM喇叭天线和微波脉冲发射源；TEM喇叭天线设置在直写式石墨烯3D打印头侧面，TEM喇叭天线通过导线与微波脉冲发射源连接；TEM喇叭天线发射的微波垂直射在打印运动平台上。

进一步的，打印运动平台的上方平行设置有支撑板，直写式石墨烯3D打印头和微波辐照系统均固定设置在支撑板上。