[發明專利]熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統和方法

在審

• 申請號: 201710106059.2
• 申請日: 2017-02-27
• 公開（公告）號: CN106863772A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 胡慶夕;段永超;張海光;劉大利
• 申請（專利權）人: 上海大學;上海宇航系統工程研究所
• 主分類號: B29C64/118
• 分類號: B29C64/118;B29C64/209;B29C64/393;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y50/02;B33Y70/00
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙)31205
• 代理人: 陸聰明

1.一種熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統，其打印噴頭為雙噴頭設計，所述的雙噴頭安裝在普通的FDM型3D打印機上實現x、y、z三軸運動；其特征在于，包括熱塑性樹脂基連續纖維預浸料3D打印噴頭（401）和熱塑性純樹脂3D打印噴頭（402）；所述熱塑性樹脂基連續纖維預浸料3D打印噴頭（401）包括熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）、為其提供向下驅動力的連續纖維預浸料供料輥（102）、設置于連續纖維預浸料供料輥（102）下方的金屬導向管（103）、設置于金屬導向管（103）之間的對心剪斷機構（104）、包裹在金屬導向管（103）外表面的散熱片（105），設置于散熱片（105）下方使熱塑性樹脂熔融的第一加熱塊（106）以及金屬導向管（103）最下端的壓實圓角（107）；所述熱塑性純樹脂3D打印噴頭（402）包括熱塑性純樹脂耗材（109）、為其提供向下驅動力的熱塑性純樹脂供料輥（110）、防止熔融樹脂向上堆積的散熱片（105）、降低摩擦的特氟龍喉管（111）、使熱塑性純樹脂受熱呈熔融態的第二加熱塊（112）以及噴嘴（113）。

2.根據權利要求1所述的熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統，其特征在于，所述熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）為截面為圓形的直徑小于1mm的含有連續纖維（201）的連續絲線狀長絲，連續纖維（201）增強體在熱塑性樹脂（202）基體內分布均勻，具有較高的浸漬度，大大提高非金屬3D打印的力學強度。

3.根據權利要求2所述的熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統，其特征在于，所述連續纖維（201）為碳纖維、玻璃纖維或凱夫拉纖維；所述熱塑性樹脂（202）為ABS、PLA或PEEK。

4.根據權利要求1所述的熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統，其特征在于，所述連續纖維預浸料供料輥（102）包括兩個輥，一個表面為齒牙狀，增加送絲的摩擦力，另一個為表面光滑的U形輥，保證熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）在進入打印噴頭時的對中性。

5.根據權利要求1所述的熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統，其特征在于，所述對心剪斷機構（104）由硬質合金刀片和力矩大且加減速度快的動力源組成，必須迅速剪斷熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101），保證熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）的打印過程連續性。

6.根據權利要求1所述的熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統，其特征在于，所述第一加熱塊（106）和第二加熱塊（112）采用電加熱棒、陶瓷或電磁加熱，使熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）中的熱塑性樹脂（202）受熱達到熔融態。

7.根據權利要求1所述的熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統，其特征在于，所述壓實圓角（107）必須光滑，圓角要大于熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）的直徑，以免在打印過程中產生刮膠現象。

8.根據權利要求1所述的熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印系統，其特征在于，所述金屬導向管（103）的內徑與熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）為間隙配合，保證熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）在金屬導向管（103）內不能產生過大的彎曲，以免連續纖維（201）在加熱段產生堵塞。

9.一種熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印方法，其特征在于，包括如下步驟：

S301、分析結構件的實際載荷情況；

S302、根據實際載荷情況以及熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）的力學性能對結構件進行拓撲優化設計；

S303、根據優化設計結果確定最優打印方式；

S304、根據最優打印方式確定控制G代碼；

S305、執行控制G代碼，完成結構件的熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的3D打印。

10.根據權利要求9所述的熱塑性樹脂基連續纖維預浸料的雙噴頭3D打印方法，其特征在于，所述步驟S301的載荷根據仿真分析或測量得到；

所述步驟S302的熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）的力學性能為各向異性，即沿軸向力學性能遠大于徑向的力學性能，因此，必須讓載荷方向與熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）打印方向重合，使熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）軸向承受最大的載荷；

所述步驟S302的拓撲優化設計應最大化保持結構件的連續性，以保證熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）打印過程中的連續性，提高打印速度，增加結構件的力學強度；

所述步驟S303的最優打印方式即熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）的打印路徑以及剪斷次數，由于熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）為各向異性材料，即其沿軸向力學性能遠大于徑向的力學性能，因此，熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）要沿著載荷的方向打印使熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）的軸向承受最大的載荷，而且在打印結構體的內部時減少連續纖維（201）的剪斷次數，降低加工的難度，保證結構的一體性；

所述步驟S304的控制G代碼包括噴頭移動代碼，由熱塑性樹脂基連續纖維預浸料（101）的打印路徑代碼以及熱塑性純樹脂3D打印噴頭（402）打印支撐部分的移動代碼組成；連續纖維預浸料供料輥（102）供料代碼，其供料的速度與噴頭移動速度相同，保證連續纖維正常打印；熱塑性純樹脂供料輥（110）供料代碼，為具有懸臂的結構件添加支撐部分，所述的支撐強度不高且易于拆除；連續纖維預浸料噴頭加熱溫度代碼；熱塑性純樹脂打印頭加熱溫度代碼；連續纖維預浸料的剪斷動作代碼，保證連續纖維預浸料打印路徑產生較大轉變角度時能夠迅速剪斷連續纖維。