本發(fā)明涉及及一種復(fù)合材料的快速成型方法，尤其是涉及短切纖維與熱塑性樹脂基結(jié)合的復(fù)合材料，屬于短纖維增強復(fù)合材料的3D打印快速成型方法。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料的制備方法通常利用模壓成型的方法，例如層疊模壓、纖網(wǎng)模壓、纏繞模壓。傳統(tǒng)的模壓成型方法，雖然操作簡單，但是生產(chǎn)周期長，效率低，產(chǎn)品的精度不夠高。目前這一類加工方法已經(jīng)不能夠完全滿足客戶對產(chǎn)品的需求。而利用3D打印快速成型的方法，能夠有效解決這類問題，提高打印精度，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供了一種能夠?qū)⒍糖欣w維和熱塑性樹脂基材料復(fù)合的快速成型方法。利用3D打印技術(shù)，將短切纖維和樹脂基材料加熱熔融在一起，然后均勻的打印出所設(shè)計的產(chǎn)品；本方法充分利用了3D打印機的快速成型的優(yōu)勢。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
一種能夠?qū)⒍糖欣w維和熱塑性樹脂基材料復(fù)合的快速成型方法，包括如下步驟：1）以短切纖維和聚乳酸作為原材料，首先利用計算機中的3DMAX軟件設(shè)計出所需三維立體成品模型；2）其次將所設(shè)計的三維立體成品模型以STL格式拷入3D打印機中，依據(jù)纖維和樹脂基體的熔點溫度來設(shè)計工藝參數(shù)，主要包括噴嘴加熱溫度，以及3D打印機溫床的溫度；3）然后在計算機中運用CuraEngine軟件，對STL格式的模型做切片分層處理，并且將三維立體成品模型進行分層的面型化處理并存儲入計算機中；4）之后依據(jù)計算機中存儲的分層得到的閉合多邊形輪廓線數(shù)據(jù)信息生成打印路徑傳輸給3D打印機，依據(jù)先前在計算機中設(shè)定的噴嘴加熱溫度和3D打印機溫床的溫度，使得噴嘴和溫床的溫度達(dá)到設(shè)定值，在3D打印機的多入口噴嘴中，通過加熱熔融和加壓，將熔融的PLA液體擠壓出，同時利用3D打印機的打印頭在打印平臺上完成一個一層閉合多邊形輪廓數(shù)據(jù)信息的打印任務(wù)；5）然后根據(jù)上述分層得到的數(shù)據(jù)自動上升一層再進行下一層閉合多邊形輪廓數(shù)據(jù)信息的打印任務(wù)；循環(huán)往復(fù)，直到所有的分層加工完畢生成3DMAX軟件所設(shè)計的模型。
所述短切纖維采用短切碳纖維、短切玻璃纖維、短切高強聚乙烯纖維中的一種。
所述的三維立體成品模型分層處理步驟為：將三維立體成品模型導(dǎo)入到CuraEngine軟件中，使用軟件中的切片分層功能進行面型化處理，選擇垂直Z軸的平面為分層平面，使其延著三維立體成品模型的Z軸進行等厚分層處理，將三維立體成品模型進行虛擬化切片，根據(jù)模型切片的需要來確定切片厚度和層高，依據(jù)厚度和層高的關(guān)系得到二維截面信息，通過三角形面片數(shù)據(jù)與二維截面信息的交線位置關(guān)系，可以得出每層閉合的多邊形輪廓數(shù)據(jù)信息，從而得到3D打印機坐標(biāo)中的數(shù)據(jù)，完成分層處理；所述的三維立體成品模型經(jīng)過上述面型化處理后，模型的表面即近似為有限個空間三角面片的集合，能解決三維立體成品模型在計算機坐標(biāo)系和打印設(shè)備坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)換問題。
所述切片厚度為4mm，層高為0.15mm；依據(jù)厚度和層高的關(guān)系能得到20個二維截面信息。
所述的三維立體成品模型經(jīng)過面型化的處理后所述的STL格式文件中每個空間三角型面片用4個數(shù)據(jù)來描述，即實體內(nèi)部指向外部的三角形面片的外法向量和三角形的3個頂點坐標(biāo)。
所述的3D打印機采用FDM熔融沉積型打印機，利用3DMAX軟件設(shè)計出模型，通過加熱熔融，擠出熔融體，逐層打印。
所述的3D打印機的多入口噴嘴包括安裝在3D打印機噴嘴位置的噴嘴本體，所述的噴嘴本體頂部開設(shè)有熱塑性樹脂喂入口，所述熱塑性樹脂喂入口與位于噴嘴本體內(nèi)的通道連通；所述的噴嘴本體左側(cè)上部位置安裝有能夠?qū)⒍糖欣w維利用壓強壓入噴嘴本體的加壓裝置，所述加壓裝置一側(cè)安裝有擠壓器；所述加壓裝置出口與位于噴嘴本體內(nèi)的通道連通，且所述加壓裝置上方開設(shè)有短切纖維喂入口；所述的噴嘴本體內(nèi)通道中間位置安裝有加熱裝置；所述的噴嘴本體底部還開設(shè)有噴絲孔，且所述的噴絲孔與通道的底部連通。
本發(fā)明的有益效果是：傳統(tǒng)的3D打印機的噴嘴通常只有一個原料喂入口，將兩種不同的材料從同一個入口中喂入，容易在打印過程中造成堵塞，從而導(dǎo)致打印出的成品不夠均勻。本發(fā)明利用對3D打印機噴嘴的改變，避免了打印過程中堵塞的問題。本發(fā)明所設(shè)計的3D打印機噴嘴，能夠讓短切纖維與熱塑性樹脂基體從不同的入口處喂入，能夠?qū)⒍糖欣w維和樹脂基體均勻的熔合在加熱區(qū)，然后從噴嘴中均勻的擠出。其次利用3D打印技術(shù)制備復(fù)合材料，不僅降低了生產(chǎn)成本，而且縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。3D打印機打印出的復(fù)合材料成品與傳統(tǒng)的模壓成型方法制造出的產(chǎn)品相比，產(chǎn)品的形式更加的多樣化，更容易在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。同時，打印出的復(fù)合材料成品強度得到增強。
附圖說明
圖1是本發(fā)明3D打印機多入口噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
實施例1
本實施例的一種能夠?qū)⒍糖欣w維和熱塑性樹脂基材料復(fù)合的快速成型方法，采用FDM熔融沉積型打印機，利用3DMAX軟件設(shè)計出模型，通過加熱熔融，擠出熔融體，逐層打?。痪唧w包括如下步驟：1）以短切碳纖維和聚乳酸（PLA）作為原材料，首先利用計算機中的3DMAX軟件設(shè)計出所需三維立體成品模型；2）其次將所設(shè)計的三維立體成品模型以STL格式拷入3D打印機中，依據(jù)纖維和樹脂基體的熔點溫度來設(shè)計工藝參數(shù)，主要包括噴嘴加熱溫度，以及3D打印機溫床的溫度；3）然后在計算機中運用CuraEngine軟件，對STL格式的模型做切片分層處理，并且將三維立體成品模型進行分層的面型化處理并存儲入計算機中；所述的三維立體成品模型分層處理步驟為：將三維立體成品模型導(dǎo)入到CuraEngine軟件中，使用軟件中的切片分層功能進行面型化處理，所述的三維立體成品模型經(jīng)過面型化的處理后所述的STL格式文件中每個空間三角型面片用4個數(shù)據(jù)來描述，即實體內(nèi)部指向外部的三角形面片的外法向量和三角形的3個頂點坐標(biāo)；其中選擇垂直Z軸的平面為分層平面，使其延著三維立體成品模型的Z軸進行等厚分層處理，將三維立體成品模型進行虛擬化切片，根據(jù)模型切片的需要來確定切片厚度和層高，通常設(shè)計切片厚度為4mm，層高為0.15mm；依據(jù)厚度和層高的關(guān)系得到20個二維截面信息，通過三角形面片數(shù)據(jù)與二維截面信息的交線位置關(guān)系，可以得出每層閉合的多邊形輪廓數(shù)據(jù)信息，從而得到3D打印機坐標(biāo)中的數(shù)據(jù)，完成分層處理；所述的三維立體成品模型經(jīng)過上述面型化處理后，模型的表面即近似為有限個空間三角面片的集合，能解決三維立體成品模型在計算機坐標(biāo)系和打印設(shè)備坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)換問題。4）之后依據(jù)計算機中存儲的分層得到的閉合多邊形輪廓線數(shù)據(jù)信息生成打印路徑傳輸給3D打印機，依據(jù)先前在計算機中設(shè)定的噴嘴加熱溫度和3D打印機溫床的溫度，使得噴嘴和溫床的溫度達(dá)到設(shè)定值，在3D打印機的多入口噴嘴中，通過加熱熔融和加壓，將熔融的PLA液體擠壓出，同時利用3D打印機的打印頭在打印平臺上完成一個一層閉合多邊形輪廓數(shù)據(jù)信息的打印任務(wù)；5）然后根據(jù)上述分層得到的數(shù)據(jù)自動上升一層再進行下一層閉合多邊形輪廓數(shù)據(jù)信息的打印任務(wù)；循環(huán)往復(fù)，直到所有的分層加工完畢生成3DMAX軟件所設(shè)計的模型。
如圖1所示，所述的3D打印機的多入口噴嘴包括安裝在3D打印機噴嘴位置的噴嘴本體，所述的噴嘴本體頂部開設(shè)有熱塑性樹脂喂入口4，所述熱塑性樹脂喂入口4與位于噴嘴本體內(nèi)的通道7連通；所述的噴嘴本體左側(cè)上部位置安裝有能夠?qū)⒍糖欣w維利用壓強壓入噴嘴本體的加壓裝置5，所述加壓裝置5一側(cè)安裝有擠壓器6；所述加壓裝置5出口與位于噴嘴本體內(nèi)的通道7連通，且所述加壓裝置5上方開設(shè)有短切纖維喂入口3；所述的噴嘴本體內(nèi)通道7中間位置安裝有加熱裝置1；所述的噴嘴本體底部還開設(shè)有噴絲孔2，且所述的噴絲孔2與通道7的底部連通。
本實施例利用對3D打印機噴嘴的改變，避免了打印過程中堵塞的問題。本實施例所設(shè)計的3D打印機噴嘴，能夠讓短切纖維與熱塑性樹脂基體從不同的入口處喂入，能夠?qū)⒍糖欣w維和熱塑性樹脂基體均勻的熔合在加熱區(qū)，然后從噴嘴中均勻的擠出。其次本實施例利用3D打印技術(shù)制備復(fù)合材料，不僅降低了生產(chǎn)成本，而且縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。3D打印機打印出的復(fù)合材料成品與傳統(tǒng)的模壓成型方法制造出的產(chǎn)品相比，產(chǎn)品的形式更加的多樣化，更容易在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。同時，打印出的復(fù)合材料成品強度得到增強 本實施例利用3D打印機打印的復(fù)合材料，與傳統(tǒng)的模壓成型法相比，具有形式多樣，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)周期短等優(yōu)點，同時又保持了復(fù)合材料的優(yōu)良性能，在機械加工、航空航天領(lǐng)域有良好的發(fā)展前景。
實施例2
本實施例的一種能夠?qū)⒍糖欣w維和熱塑性樹脂基材料復(fù)合的快速成型方法，采用FDM熔融沉積型打印機，利用3DMAX軟件設(shè)計出模型，通過加熱熔融，擠出熔融體，逐層打?。痪唧w包括如下步驟：1）以短切玻璃纖維和聚乳酸（PLA）作為原材料，首先利用計算機中的3DMAX軟件設(shè)計出所需三維立體成品模型；2）其次將所設(shè)計的三維立體成品模型以STL格式拷入3D打印機中，依據(jù)纖維和樹脂基體的熔點溫度來設(shè)計工藝參數(shù)，主要包括噴嘴加熱溫度，以及3D打印機溫床的溫度；3）然后在計算機中運用CuraEngine軟件，對STL格式的模型做切片分層處理，并且將三維立體成品模型進行分層的面型化處理并存儲入計算機中；所述的三維立體成品模型分層處理步驟為：將三維立體成品模型導(dǎo)入到CuraEngine軟件中，使用軟件中的切片分層功能進行面型化處理，所述的三維立體成品模型經(jīng)過面型化的處理后所述的STL格式文件中每個空間三角型面片用4個數(shù)據(jù)來描述，即實體內(nèi)部指向外部的三角形面片的外法向量和三角形的3個頂點坐標(biāo)；其中選擇垂直Z軸的平面為分層平面，使其延著三維立體成品模型的Z軸進行等厚分層處理，將三維立體成品模型進行虛擬化切片，根據(jù)模型切片的需要來確定切片厚度和層高，通常設(shè)計切片厚度為4mm，層高為0.15mm；依據(jù)厚度和層高的關(guān)系得到20個二維截面信息，通過三角形面片數(shù)據(jù)與二維截面信息的交線位置關(guān)系，可以得出每層閉合的多邊形輪廓數(shù)據(jù)信息，從而得到3D打印機坐標(biāo)中的數(shù)據(jù)，完成分層處理；所述的三維立體成品模型經(jīng)過上述面型化處理后，模型的表面即近似為有限個空間三角面片的集合，能解決三維立體成品模型在計算機坐標(biāo)系和打印設(shè)備坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)換問題。4）之后依據(jù)計算機中存儲的分層得到的閉合多邊形輪廓線數(shù)據(jù)信息生成打印路徑傳輸給3D打印機，依據(jù)先前在計算機中設(shè)定的噴嘴加熱溫度和3D打印機溫床的溫度，使得噴嘴和溫床的溫度達(dá)到設(shè)定值，在3D打印機的多入口噴嘴中，通過加熱熔融和加壓，將熔融的PLA液體擠壓出，同時利用3D打印機的打印頭在打印平臺上完成一個一層閉合多邊形輪廓數(shù)據(jù)信息的打印任務(wù)；5）然后根據(jù)上述分層得到的數(shù)據(jù)自動上升一層再進行下一層閉合多邊形輪廓數(shù)據(jù)信息的打印任務(wù)；循環(huán)往復(fù)，直到所有的分層加工完畢生成3DMAX軟件所設(shè)計的模型。
如圖1所示，所述的3D打印機的多入口噴嘴包括安裝在3D打印機噴嘴位置的噴嘴本體，所述的噴嘴本體頂部開設(shè)有熱塑性樹脂喂入口4，所述熱塑性樹脂喂入口4與位于噴嘴本體內(nèi)的通道7連通；所述的噴嘴本體左側(cè)上部位置安裝有能夠?qū)⒍糖欣w維利用壓強壓入噴嘴本體的加壓裝置5，所述加壓裝置5一側(cè)安裝有擠壓器6；所述加壓裝置5出口與位于噴嘴本體內(nèi)的通道7連通，且所述加壓裝置5上方開設(shè)有短切纖維喂入口3；所述的噴嘴本體內(nèi)通道7中間位置安裝有加熱裝置1；所述的噴嘴本體底部還開設(shè)有噴絲孔2，且所述的噴絲孔2與通道7的底部連通。
本實施例利用對3D打印機噴嘴的改變，避免了打印過程中堵塞的問題。本實施例所設(shè)計的3D打印機噴嘴，能夠讓短切纖維與熱塑性樹脂基體從不同的入口處喂入，能夠?qū)⒍糖欣w維和熱塑性樹脂基體均勻的熔合在加熱區(qū)，然后從噴嘴中均勻的擠出。其次本實施例利用3D打印技術(shù)制備復(fù)合材料，不僅降低了生產(chǎn)成本，而且縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。3D打印機打印出的復(fù)合材料成品與傳統(tǒng)的模壓成型方法制造出的產(chǎn)品相比，產(chǎn)品的形式更加的多樣化，更容易在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。同時，打印出的復(fù)合材料成品強度得到增強 本實施例利用3D打印機打印的復(fù)合材料，與傳統(tǒng)的模壓成型法相比，具有形式多樣，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)周期短等優(yōu)點，同時又保持了復(fù)合材料的優(yōu)良性能，在機械加工、航空航天領(lǐng)域有良好的發(fā)展前景。
實施例3
本實施例的一種能夠?qū)⒍糖欣w維和熱塑性樹脂基材料復(fù)合的快速成型方法，采用FDM熔融沉積型打印機，利用3DMAX軟件設(shè)計出模型，通過加熱熔融，擠出熔融體，逐層打?。痪唧w包括如下步驟：1）以短切高強聚乙烯纖維和聚乳酸（PLA）作為原材料，首先利用計算機中的3DMAX軟件設(shè)計出所需三維立體成品模型；2）其次將所設(shè)計的三維立體成品模型以STL格式拷入3D打印機中，依據(jù)纖維和樹脂基體的熔點溫度來設(shè)計工藝參數(shù)，主要包括噴嘴加熱溫度，以及3D打印機溫床的溫度；3）然后在計算機中運用CuraEngine軟件，對STL格式的模型做切片分層處理，并且將三維立體成品模型進行分層的面型化處理并存儲入計算機中；所述的三維立體成品模型分層處理步驟為：將三維立體成品模型導(dǎo)入到CuraEngine軟件中，使用軟件中的切片分層功能進行面型化處理，所述的三維立體成品模型經(jīng)過面型化的處理后所述的STL格式文件中每個空間三角型面片用4個數(shù)據(jù)來描述，即實體內(nèi)部指向外部的三角形面片的外法向量和三角形的3個頂點坐標(biāo)；其中選擇垂直Z軸的平面為分層平面，使其延著三維立體成品模型的Z軸進行等厚分層處理，將三維立體成品模型進行虛擬化切片，根據(jù)模型切片的需要來確定切片厚度和層高，通常設(shè)計切片厚度為4mm，層高為0.15mm；依據(jù)厚度和層高的關(guān)系得到20個二維截面信息，通過三角形面片數(shù)據(jù)與二維截面信息的交線位置關(guān)系，可以得出每層閉合的多邊形輪廓數(shù)據(jù)信息，從而得到3D打印機坐標(biāo)中的數(shù)據(jù)，完成分層處理；所述的三維立體成品模型經(jīng)過上述面型化處理后，模型的表面即近似為有限個空間三角面片的集合，能解決三維立體成品模型在計算機坐標(biāo)系和打印設(shè)備坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)換問題。4）之后依據(jù)計算機中存儲的分層得到的閉合多邊形輪廓線數(shù)據(jù)信息生成打印路徑傳輸給3D打印機，依據(jù)先前在計算機中設(shè)定的噴嘴加熱溫度和3D打印機溫床的溫度，使得噴嘴和溫床的溫度達(dá)到設(shè)定值，在3D打印機的多入口噴嘴中，通過加熱熔融和加壓，將熔融的PLA液體擠壓出，同時利用3D打印機的打印頭在打印平臺上完成一個一層閉合多邊形輪廓數(shù)據(jù)信息的打印任務(wù)；5）然后根據(jù)上述分層得到的數(shù)據(jù)自動上升一層再進行下一層閉合多邊形輪廓數(shù)據(jù)信息的打印任務(wù)；循環(huán)往復(fù)，直到所有的分層加工完畢生成3DMAX軟件所設(shè)計的模型。
如圖1所示，所述的3D打印機的多入口噴嘴包括安裝在3D打印機噴嘴位置的噴嘴本體，所述的噴嘴本體頂部開設(shè)有熱塑性樹脂喂入口4，所述熱塑性樹脂喂入口4與位于噴嘴本體內(nèi)的通道7連通；所述的噴嘴本體左側(cè)上部位置安裝有能夠?qū)⒍糖欣w維利用壓強壓入噴嘴本體的加壓裝置5，所述加壓裝置5一側(cè)安裝有擠壓器6；所述加壓裝置5出口與位于噴嘴本體內(nèi)的通道7連通，且所述加壓裝置5上方開設(shè)有短切纖維喂入口3；所述的噴嘴本體內(nèi)通道7中間位置安裝有加熱裝置1；所述的噴嘴本體底部還開設(shè)有噴絲孔2，且所述的噴絲孔2與通道7的底部連通。
本實施例利用對3D打印機噴嘴的改變，避免了打印過程中堵塞的問題。本實施例所設(shè)計的3D打印機噴嘴，能夠讓短切纖維與熱塑性樹脂基體從不同的入口處喂入，能夠?qū)⒍糖欣w維和熱塑性樹脂基體均勻的熔合在加熱區(qū)，然后從噴嘴中均勻的擠出。其次本實施例利用3D打印技術(shù)制備復(fù)合材料，不僅降低了生產(chǎn)成本，而且縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。3D打印機打印出的復(fù)合材料成品與傳統(tǒng)的模壓成型方法制造出的產(chǎn)品相比，產(chǎn)品的形式更加的多樣化，更容易在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。同時，打印出的復(fù)合材料成品強度得到增強 本實施例利用3D打印機打印的復(fù)合材料，與傳統(tǒng)的模壓成型法相比，具有形式多樣，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)周期短等優(yōu)點，同時又保持了復(fù)合材料的優(yōu)良性能，在機械加工、航空航天領(lǐng)域有良好的發(fā)展前景。