本發(fā)明涉及粉末材料及3d打印領(lǐng)域，具體涉及一種集成纖維布絲機構(gòu)的粉末粘接劑噴射打印設(shè)備和打印方法。

背景技術(shù)：

1、增材制造(additive?manufacturing，am)，又稱三維打印(3d打印)或快速成型，由于其相比傳統(tǒng)工藝能夠制造出各種形狀個性化的產(chǎn)品，正日益受到工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)注和青睞。粘合劑噴射技術(shù)(binder?jetting，bj)是眾多am工藝中的重要一種。這種方法通過噴射液態(tài)粘結(jié)劑使材料選擇性地沉積在粉末層中，并加熱固化形成具有一定強度的零件初坯，最后經(jīng)脫脂、燒結(jié)進一步致密化，得到所需密度和機械性能的最終零件。bj技術(shù)具有成本低、打印速度快、分辨率高和無需支撐結(jié)構(gòu)實現(xiàn)復雜幾何形狀等優(yōu)點，這些優(yōu)點對大批量工業(yè)生產(chǎn)具有巨大的潛力。

2、脆性是陶瓷材料的主要問題，也是一直以來制約陶瓷材料生產(chǎn)應用的關(guān)鍵因素。為解決陶瓷脆性問題，在陶瓷基材料中加入纖維進行增韌是一種常用手段。其中，連續(xù)纖維(也叫長纖)具有相比短切纖維更好的強度和剛度，且長度容易控制，生產(chǎn)工藝相對簡單且生產(chǎn)效率更高。因此，這種連續(xù)纖維增韌陶瓷基復合材料，可有效增加吸能機制，在保留大部分陶瓷本身高強度、耐摩擦等性能的同時改善其脆性斷裂問題。

3、采用3d打印方法制備纖維增韌的陶瓷基復合材料零件，是最近幾年3d打印陶瓷制備領(lǐng)域的重要研究方向，其中常用的方法包括在漿料或原始粉料中加入短纖(如玻璃粉末、碳纖維等)或增強相(如氧化鋯顆粒、金屬顆粒)等。采用粘結(jié)劑噴射打印方法制備連續(xù)纖維增韌的陶瓷零件，其相應的打印設(shè)備及其相應的制備工藝在行業(yè)內(nèi)尚屬于空白。

4、由于現(xiàn)有技術(shù)中的粉末粘接劑噴射打印設(shè)備打印出的零件素坯在經(jīng)熱處理及燒結(jié)工藝處理后的零件存在韌性較低以及尺寸精度較低等技術(shù)問題，因此本發(fā)明研究設(shè)計出一種集成纖維布絲機構(gòu)的粉末粘結(jié)劑噴射打印設(shè)備和打印方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的粉末粘接劑噴射打印設(shè)備打印出的零件素坯在經(jīng)熱處理及燒結(jié)工藝處理后的零件存在韌性較低以及尺寸精度較低的缺陷，從而提供一種集成纖維布絲機構(gòu)的粉末粘接劑噴射打印設(shè)備和打印方法。

2、為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種集成纖維布絲機構(gòu)的粉末粘結(jié)劑噴射打印設(shè)備，其包括：

3、水平導軌、鋪粉系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、負壓供墨打印系統(tǒng)、纖維布絲系統(tǒng)和成型缸系統(tǒng)，所述鋪粉系統(tǒng)、所述加熱系統(tǒng)和所述負壓供墨打印系統(tǒng)設(shè)置在所述水平導軌上且能隨所述水平導軌一體運動，所述水平導軌行進的方向為x軸的方向，在水平面的投影面內(nèi)，與x軸垂直的為y軸，在所述成型缸系統(tǒng)的y軸方向兩端均設(shè)置有所述纖維布絲系統(tǒng)，能夠在打印過程中對每層粉料鋪布纖維和粘接劑噴射打印，并對多層粉料重復纖維布絲和粘結(jié)劑噴射打印的步驟，逐層布絲和打印得出零件素坯。

4、在一些實施方式中，

5、還包括粉末床臺面，所述纖維布絲系統(tǒng)設(shè)置在所述粉末床臺面的下方，所述纖維布絲系統(tǒng)包括纖維卷軸、送絲機構(gòu)、出纖口、布絲機構(gòu)、纖維加熱系統(tǒng)、外支撐架和電機控制系統(tǒng)。

6、在一些實施方式中，

7、所述纖維卷軸設(shè)置有多個分區(qū)，在布絲過程中，每個分區(qū)上的纖維絲由相應的送絲機構(gòu)經(jīng)送絲路徑傳送到相應的出纖口；

8、所述的送絲機構(gòu)包括導向軸承輪、導向壓輪和硅膠導管，在送絲過程中，相應區(qū)域的纖維絲在導向軸承輪、導向壓輪和硅膠導管的協(xié)同下傳送到相應的出纖口；所述的纖維卷軸上的每個分區(qū)與送絲機構(gòu)上的每個送絲路徑一一對應設(shè)置。

9、在一些實施方式中，

10、還包括下沉缸，所述的出纖口設(shè)置在所述下沉缸的端面上，所述出纖口能在所述粉末床的平面以下做沿z軸方向的移動，z軸為垂直于水平面的沿豎直方向的軸，移動距離最大為10mm，單次移動的最小距離為0.02mm；各個出纖口沿x軸方向等間距排布，出纖口的數(shù)量與所述纖維卷軸的分區(qū)數(shù)量一致。

11、在一些實施方式中，

12、所述出纖口處還設(shè)置有夾絲機構(gòu)和剪絲機構(gòu)，所述夾絲機構(gòu)能對纖維絲實施夾住與松開兩個動作，所述剪絲機構(gòu)能剪斷纖維絲，所述夾絲機構(gòu)沿y軸方向上距所述出纖口的距離為1mm—5mm，所述剪絲機構(gòu)沿y軸方向上距所述夾絲機構(gòu)的距離為1mm—5mm。

13、在一些實施方式中，

14、所述的布絲機構(gòu)包括牽引夾子、沿y軸方向延伸的傳送導軌和沿z軸方向延伸的傳送導軌；其中，所述的牽引夾子的數(shù)量與所述出纖口的數(shù)量相等，每個所述出纖口對應一個牽引夾子，每個所述牽引夾子能沿y軸方向移動，并實施夾住與松開兩個動作。

15、在一些實施方式中，

16、還包括料缸，所述的成型缸系統(tǒng)包括成型缸，在水平面的投影面內(nèi)所述成型缸為圓形，所述成型缸能繞z軸做360°旋轉(zhuǎn)運動，所述成型缸位于所述下沉缸的內(nèi)部且與所述下沉缸的內(nèi)壁之間具有間隙。

17、本發(fā)明還提供一種如前述的集成纖維布絲機構(gòu)的粉末粘結(jié)劑噴射打印設(shè)備的打印方法，其包括：

18、按照程序參數(shù)設(shè)定開始實施纖維布絲動作和打印動作，每層粉料均執(zhí)行纖維布絲動作和打印動作，多層粉料之間所述的纖維布絲動作和打印動作交替進行，直至按照程序運行完所有動作，得到零件素坯；

19、所述纖維布絲動作和打印動作包括：

20、(1)將待使用的纖維纏繞在纖維卷軸上，具體的，每個分區(qū)的纖維需要單獨纏繞；

21、(2)將纖維引出，依次經(jīng)過導向壓輪和硅膠導管傳送到相應的出纖口，并由每個出纖口處的夾子分別將每根纖維的前段部分夾??；

22、(3)布絲機構(gòu)的布絲組件隨下沉缸系統(tǒng)沿z軸方向移動至待布絲的位置；

23、(4)布絲機構(gòu)的每個牽引夾子在y軸導軌的引導下運動至出纖口位置，每個牽引夾子分別夾住每個纖維絲的端部，然后出纖口處的各個固定夾子松開；

24、(5)各個纖維絲在牽引夾的牽引下沿y軸導軌勻速移動至另一端的限位位置處；

25、(6)纖維布絲機構(gòu)的加熱通路開啟，使布絲區(qū)域的纖維絲產(chǎn)生焦耳熱；

26、(7)打印設(shè)備的移動部件向x軸運動，鋪粉輥先給成型缸區(qū)域鋪粉，緊接著打印噴頭對選區(qū)進行粘結(jié)劑噴射，隨后紅外加熱組件運動至成型缸上方并停留一段設(shè)定的時間，對成型缸區(qū)域的表面粘結(jié)劑進行熱固化，此時溫度傳感器實時探測粉層表面的溫度，以便于保證在適合的溫度下對粉層的粘結(jié)劑進行固化；上述移動部件的動作完成后，沿x軸導軌運動回歸x軸零點位置；

27、(8)鋪絲機構(gòu)的牽引夾子松開，出纖口處的固定夾子將纖維夾住，然后剪絲機構(gòu)在出纖口依次將每個纖維絲沿z軸垂直方向剪斷；

28、(9)成型缸在繞z旋轉(zhuǎn)軸的帶動下旋轉(zhuǎn)一定的角度，然后下降一個設(shè)定的高度；

29、(10)重復上面(4)—(9)的步驟，直到完成整個零件素坯的打印。

30、在一些實施方式中，

31、在纖維布絲動作和打印動作之前還具有設(shè)計打印模型和設(shè)備上電的步驟；在所述上料和鋪粉操作與所述開始運行打印動作之間還具有設(shè)置參數(shù)的步驟；在所述開始運行打印動作之后還具有固化步驟，總共形成以下步驟：

32、1)根據(jù)實際需求設(shè)計零件打印的三維模型、選取打印材料、設(shè)置分層厚度，并進行切片生成.cli文件；

33、2)給打印設(shè)備上電，運行負壓噴墨系統(tǒng)，之后使設(shè)備各軸歸零；

34、3)上料和鋪粉操作：將料缸高度從最高限位處根據(jù)打印零件高度往下降低預設(shè)高度，將原料粉體倒入料缸中，設(shè)置鋪粉參數(shù)后開始運行鋪粉動作，直至鋪平成型缸表面后鋪粉動作完成；

35、4)在設(shè)備電腦中導入加工文件，即.cli切片文件，并設(shè)置好適當?shù)拇蛴?shù)和和纖維布絲參數(shù)；

36、5)按照程序參數(shù)設(shè)定開始實施纖維布絲動作和打印動作，直至按照程序運行完所有動作，得到零件素坯；

37、6)熱固化處理零件素坯，之后在專業(yè)纖維剪絲機上將零件素坯上多余的纖維剪斷，并采用激光修型或數(shù)控車床砂輪磨邊的工藝對纖維絲與零件接觸的端部進行精細打磨；

38、7)根據(jù)具體需求，對零件素坯進行后續(xù)脫脂和高溫燒結(jié)的一系列工序，最終得到纖維增韌復合材料零件。

39、在一些實施方式中，

40、所述原料粉體為金屬粉末、陶瓷粉末和合金粉末中的至少一種；所述的纖維具有導電性，包括碳纖維和金屬纖維中的至少一種。

41、本發(fā)明提供的一種集成纖維布絲機構(gòu)的粉末粘接劑噴射打印設(shè)備和打印方法具有如下有益效果：

42、1.本發(fā)明通過在成型缸系統(tǒng)的y軸方向兩端均設(shè)置有所述纖維布絲系統(tǒng)，能夠在打印過程中對每層粉料鋪布纖維和粘接劑噴射打印，并對多層粉料重復纖維布絲和粘結(jié)劑噴射打印的步驟，逐層布絲和打印得出零件素坯，實現(xiàn)了3d打印零件需要提高韌性的效果，通過將纖維鋪絲機構(gòu)集成在粘結(jié)劑噴射打印設(shè)備中，制備過程中重復每一層粉料的打印和鋪布纖維的動作，逐層打印出在層面方向具有纖維增韌效果的零件素坯，經(jīng)過后續(xù)熱處理及燒結(jié)工序后最終得到高韌性的零件，本發(fā)明的設(shè)備及其工藝方法填補了bj打印纖維增韌復合材料零件的行業(yè)空白，解決了粉末粘接劑噴射打印設(shè)備打印出的零件素坯在經(jīng)熱處理及燒結(jié)工藝處理后的零件存在韌性較低以及尺寸精度較低的問題，能夠制出高韌性和高尺寸精度的零件，且成本低廉、簡單易行、可重復性強。

43、2.本發(fā)明的纖維布絲機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，省去了市面上常見的自動纖維鋪絲機(afp)中復雜的布絲頭結(jié)構(gòu)組件。且這種纖維布絲機構(gòu)及方法能夠與bj打印設(shè)備及方法成功且高效地適配在一起，成本低且生產(chǎn)效率高；本發(fā)明還通過設(shè)置纖維加熱系統(tǒng)，能夠在打印過程中對纖維進行導電加熱，能夠使纖維在打印過程中的粘結(jié)劑固化階段與粘結(jié)劑和粉體更好的粘結(jié)在一起，也可一定程度上可避免纖維變形甚至移位現(xiàn)象的發(fā)生。從而使燒結(jié)后的復合材料零件的纖維與基體間獲得更好的界面強度。

44、3.本發(fā)明的集成纖維布絲機構(gòu)的粉末粘結(jié)劑噴射打印設(shè)備中的成型缸能在水平面上做360°旋轉(zhuǎn)，因此在零件打印過程中，能夠在水平的任一的方向上對零件進行布絲，能夠?qū)嵤α慵乃椒较虻膫€性化(各個角度/方向)布絲，這也有利于零件能夠在除打印切面方面外的各個角度方向上都具備高韌性。