[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

摘要

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。

主权项

1.一种压力调控的连续纤维复合材料FDM 3D打印方法，其特征是，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；该方法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，打印中实时检测打印压力范围；顶层打印时，采用纯热塑性树脂材料打印，保证表面的平整性；方法的具体步骤如下：步骤1安装压力调控的FDM 3D打印系统，导入打印工件三维模型的设置参数；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；在连续纤维3D打印机的喷嘴(1)与加热块(3)之间安装压力传感器(2)，压力传感器(2)与信息采集模块连接，信息采集模块与Z轴驱动模块分别与计算机控制系统相连接，Z轴驱动模块与连续纤维3D打印机的打印平台(7)连接；通过计算机控制系统给Z轴驱动模块发出信号以控制打印平台(7)升降；加热块(3)中装有热塑性树脂(4)与连续碳纤维丝(5)；将需要打印的工件三维模型导入计算机中，设置相关的打印参数：层厚间距h与连续碳纤维丝含量n成正比，h＝(0.001n+0.1)mm，打印速度v与喷嘴的锥头外径D成正比，v＝0.8D/s～1.5D/s进行切片，将切片后的打印路径文件输入至3D打印机中；再将压力数值归零，消除安装后的压力误差，开始执行打印；整个打印过程分三个部分，分别是底层打印、中间层打印和顶层打印；步骤2执行底层打印，采集实时压力并设置打印挤压力的波动范围；在底层打印时，喷嘴(1)距离打印平台(7)一个层厚间距h移动，打印材料从喷嘴(1)中挤出到打印平台上，压力传感器(2)将打印中的实时压力F0通过信息采集模块输入计算机当中。取底层打印过程中的F0平均值为F，设置参数N作为打印挤压力的波动范围，即(100‑N)％F～(100+N)％F，其中，N取值与层厚h有关，N＝50h～100h；步骤3执行中间层打印，实时检测打印压力范围；底层打印结束后，Z轴驱动模块控制打印平台(7)下降h距离，3D打印机开始执行中间层的打印；由于已打印的连续纤维/热塑性树脂材料表面并不平整，喷嘴(1)与打印层(6)间的挤压力F’会不断变化，压力传感器(2)将此压力F’通过信息采集模块输入计算机系统；实时检测打印压力F’是否在步骤2中设定的打印压力范围内，若测得压力数值超出此范围，则通过计算机系统给Z轴驱动模块一个下降的信号，增大喷嘴(1)与打印层(6)的间隙，从而减小打印压力；若测得压力数值低于此范围，则通过计算机系统给Z轴驱动模块一个上升的信号，减小喷嘴(1)与打印层(6)的间隙，从而增大打印压力；其中Z轴上升下降速度vz为0.1h/s～0.2h/s，h为设置的打印层厚；在完成中间每一层的打印工作后，路径数据信息中要Z轴电机执行平台下降操作，该指令由驱动模块指使打印平台(7)执行，执行完后反馈给路径数据信息，接着开始下一层的打印命令，直至工件中间层打印全部结束，进行顶层打印；步骤4顶层打印时，连续纤维停止挤出，仅采用纯热塑性树脂材料打印，打印平台的高度在顶层打印过程中保持不变；在前面层数高度浮动打印后，调整最后整体高度与设计尺寸一致，也保证了表面的平整性。