[发明专利]一种用于纤维增强复合材料增材制造的打印头及打印方法

说明书

本发明提供一种用于纤维增强复合材料增材制造的打印头及打印方法。本发明中通过对目标制件首层以层厚特征值向外偏置路径轮廓两圈试打印，借助热压模块的压力传感器，获取特定预浸丝材规格下层厚与随行压实的对应关系，实现目标制件模型各层热压压力不同层厚的调整；同时热压前端引入喷墨盒，在预浸丝材经喷嘴挤出后，与上层热压结合前，对结合表面进行基体树脂的雾状喷覆，为表层浮出纤维提供适当基体涂覆，提升与下一层预浸丝材的层间结合性能，最终实现高质量成形。

技术领域

本发明涉及一种用于纤维增强复合材料增材制造的打印头以及随行压实打印方法，属于先进制造技术领域。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料由纤维材料与基体材料构成，具有重量轻、强度高、成形方便、耐腐蚀等优点，主要应用于航空航天、轨道交通、汽车船舶等领域。相比传统的纤维铺放或缠绕制造技术，基于熔融挤出原理的3D打印制造技术凭借更易成形复杂结构，且不需模具，工艺相对简单实现等特性，已成为未来重点的发展趋势。

为提升丝束成形时各层的致密性，热压是目前主流的辅助成形方式。依据热压的实现方式可分为两类，1、热压模块与打印头结构硬连接，随打印头运动，相对位置固定；2、热压模块相对打印头可实现旋转和Z向运动。常见的热压结构并不是原位热压，即丝材经喷嘴挤出后与热压辊有一段空间距离，为应对转向等随行要求，方式2的相对运动功能很有必要。但这对打印头整体结构设计制造提出更高要求。

同时丝束经热压成形，若热压压力不当，其所含热塑性树脂基体会被部分挤压出来，导致表面部分纤维一定程度浮出来，削弱与下层的结合效果，降低制件的层间性能。因此施压数值大小是重要参数不可忽略，且该参数受预浸丝材种类规格影响。

发明内容

本发明提供了一种用于纤维增强复合材料增材制造的打印头及打印方法，目的是弥补因热压导致预浸丝材中部分树脂被挤出造成表面纤维部分浮出而影响与下层粘接效果的热压损伤，最终实现高质量随行压实成形。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于纤维增强复合材料增材制造的打印头，包括加热管、位于加热管底部的热压模块、喷墨盒；加热管顶部为进丝口而底部为出丝口；所述热压模块包括与加热管底部连接的固定架、通过压辊轴安装在固定架下端的压辊；所述压辊轴上围绕有薄膜压力传感器；所述压辊内设有轴承，所述轴承套设在压辊轴上，且薄膜压力传感器位于轴承与压辊轴之间；所述压辊轴两端分别设有加热器和第一温度传感器；所述喷墨盒的喷墨口面对加热管底部的出丝口。

本发明技术方案的有益效果如下：该打印头通过设置热轧辊热压对预浸丝材的随行原位热压，通过热压辊内置的薄膜压力传感器收集实时压力，从而可以依据对目标制件每层压力设置，调整实际打印层厚。同时在热压前端引入喷墨盒，在预浸丝材经喷嘴挤出后，与上层热压结合前，对结合表面进行基体树脂的雾状喷覆，为表层浮出纤维提供适当基体涂覆，提升与下一层预浸丝材的层间结合性能，最终实现高质量成形。

本发明同时提供根据上述纤维增强复合材料增材制造的打印头的打印方法的技术方案，包括以下步骤：

1)依据目标制件成形要求，选择预浸复合丝材规格；

2)将目标制件三维模型导入开源打印切片软件，进行分层离散切片、路径规划、设定打印速度及打印基础工艺参数，得到制件基础打印成形数据G代码；

3)依据预浸丝材材质，设定随行压实模块参数；

4)对加热管进行加热，将预浸丝材以特征层厚进行目标制件首层的试打印，该试打印为对目标制件首层以层厚特征值向外偏置路径轮廓两圈的打印；通过薄膜压力传感器记录试打印阶段的随行压实压力值，并反馈至打印头Z向移动机构调节特征层厚值，获取特定预浸丝材规格下层厚与随行压实的对应关系；基于各层随行压实压力设定值，完成对各层的实际层厚调节，并反馈更新打印成形G代码；