[发明专利]一种可铺设连续纤维网的3D打印机头及打印方法

说明书

本发明属于3D打印技术领域，公开了一种可铺设连续纤维网的3D打印机头及打印方法，包括旋转支撑带动的可绕打印头中心旋转的3D打印头，铺网装置、升降机构、多种纤维网盘等，采用纤维网间隔铺设在打印层之间，并可通过设置在打印头端部的槽型压头在打印轨迹的中心位置压出一条或以上凹槽，从而使不同纤维网及打印层在打印高度方向形成卯榫结构而融为一体，由于槽型压头的作用，使得层与层之间的结合更加紧密，且打印结构中不但在打印层平面中添加了不同纤维网，且通过凹槽形式使得打印结构的高度方向也形成了各种纤维网的重叠。本发明能满足多功能、高性能参数、尺寸稳定、复杂性、定制化的社会发展需求。

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及一种可铺设连续纤维网的3D打印机头及打印方法。

背景技术

目前，熔融沉积成型(FDM)技术凭借其较低的成本和较优异的可实现性，近年来取得了很大的市场占有率。但该工艺使用可加热融化的热塑性树脂耗材为成型材料，材料本身不具有连续性，层内分子团间距较大，且逐层铺叠的工艺特点也造成了较差的层间结合力，这些特点都导致零件脆性大，冲击强度低，易变形，承载性能差。

国际和国内通常在零件的设计过程中采用结构拓扑优化的方式来优化力学性能，亦或是在热塑性基材中加入颗粒，短切纤维等增强体，终究不能根本上提高熔融沉积工艺所成型构件的力学性能。特别是针对航空航天领域内的复杂构件，轻量化和高强度的要求日益严苛，虽然熔融沉积等增材制造工艺可以大幅度的节省原材料，降低零件制造的难度，但其制品力学性能较差也是限制其在行业内发展的主要原因。

目前，国内外也有一些研究院所及企业开发了连续纤维增强树脂基复合材料的3D打印方法，但其也存在以下主要问题：

如CN 209492172 U，一种连续纤维增强构件的FDM-3D打印成型挤出头，其公开了一种连续纤维增强构件的FDM-3D打印成型挤出头，包括从上至下依次设置的送丝装置、剪断装置、挤出腔体和喷嘴，送丝装置设有第一进料端，用于连续纤维的进料口，挤出腔体设有第二进料端，第二进料端与挤出腔体连通，用于光敏树脂的进料口，以实现连续纤维和光敏树脂的同步进料，送丝装置包括框架、以及设置于其上的驱动轮、驱动电机、从动轮，驱动轮通过联轴器与驱动电机的输出轴相连，连续纤维通过驱动轮和从动轮之间并夹紧，驱动轮在驱动电路控制下转动，带动连续纤维向前进行送料，从而将材料复合过程与成型同步进行。

南京航空航天大学发明了连续纤维增强热塑性树脂基复合材料的3D打印方法。研发出连续纤维增强热塑性树脂基复合材料旋转共混3D打印头，其特征在于：挤出头连接于熔融腔也可绕中轴旋转，且旋转方向与熔融腔相反；熔融腔与挤出头内侧均有搅拌齿环，纤维束和熔融热塑性树脂受到两级反向旋转的螺旋齿环搅拌作用下均匀共混，且共混体以螺旋状密实缠紧成圆柱丝束，树脂沿纤维取向均匀分布；挤出头挤出材料至成型区域并固化成纤维增强树脂基复合材料。

该发明采用了两级旋转腔体对纤维和树脂的共混体进行搅拌和缠绕，适用于较大尺寸的纤维丝束，优化了打印头对纤维原有状态的适应性，在相同的打印速度下，提高了打印效率，改善了构件的表面质量；搅拌共混的作用下，纤维与树脂间的浸润充分，共混体中的纤维呈紧密螺旋缠绕状，提高了增强体的承载能力，树脂在纤维中各处分布均匀，提高了打印构件的力学性能；挤出头的旋转作用可使共混体在挤出后，纤维与树脂的分布均匀，采用了尺寸较大的纤维丝束，纤维体积含量高。

有些专利还提到了在其表面粘贴一层纤维网以提高层间结合力。

但现有技术普遍都存在一定的的问题及缺陷，其主要表现为：

(1)现有技术中，通过添加短切纤维的方式只是通过短切纤维增加了树脂之间的联系，但没能完全利用纤维本身的力学性能来提升打印体的力学参数；

(2)添加连续纤维的打印体，其在添加的长度方向的力学性能确实得到了大幅提升，但是，由于纤维束只是沿长度方向单一铺设，因此各打印道以及打印层之间的纤维束相互之间没有有效强化，其对宽度方向特别是在层间(高度方向)的力学参数的增加非常有限。