[發明專利]液體基質中短纖維定向組裝3D打印方法及裝置

在審

• 申請號: 201710264424.2
• 申請日: 2017-04-21
• 公開（公告）號: CN106891524A
• 公開（公告）日: 2017-06-27
• 發明（設計）人: 李冰倩;任露泉;劉慶萍;劉慧力;張寶玉;周雪莉;宋正義;劉清榮;李卓識;王振國
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B29C64/129
• 分類號: B29C64/129;B29C64/20;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙)22103
• 代理人: 張建成

技術領域

本發明屬于快速成型與數字制造領域，具體涉及一種在3D打印工藝液態基質中使短纖維定向組裝的方法及裝置。

背景技術

生物材料通常是具有微結構的復合材料，其運用微結構設計，可以實現許多超越人造材料的特殊性能。而纖維是生物材料構建微結構的主要元素之一，通過對纖維幾何參數、分布特性及其材料組分的設計，形成各種材料微結構，從而實現所需的材料性能，如螳螂蝦的布利鋼結構及正弦結構等。目前普遍采用在打印材料中加入纖維、微桿、薄片、碳納米管及晶須等具有一定長徑(寬)比的增強微粒子，在打印過程中采用剪切(摩擦)、磁場、聲場及電場誘導的方式，使增強材料定向組裝。所采用的3D打印成型技術包括：熔融沉積成型(FDM)、數字掩膜光固化(DLP)以及3D噴墨打印(3DP)等。

但以上誘導方案均存在其固有缺點。如，擠出剪切誘導只能在二維空間組裝，且由于擠出打印是逐行成型，行與行之間存在間隙；DLP震蕩誘導組裝工藝的基質材料粘度不能太高；電磁誘導組裝的粒子需要功能化(磁化)，液體基質材料粘度需保持低粘度；聲場組裝要求液體基質粘度較低等。

本發明的顯著優點在于：1.可調控多個自由度，實現對短纖維材料的靈活組裝。2.對纖維材料敏感度低，可以組裝碳纖、玻纖、金屬纖維及天然材料纖維；3.供粉、鋪粉與定向過程重合，顯著提高打印效率；4.可以打印高粘度甚至粉態基質。

發明內容

本發明的目的是提供一種使液態基質中短纖維定向組裝的方法及裝置。在傳統粉末床3D打印技術的基礎上，在液體成型材料里加入短纖維材料制備成纖維增強漿料。該漿料置于上下開口的長方形料箱中，料箱的前后壁(長邊)底部截面為V型，便于鋪粉定向。料箱下面與打印裝置基面接觸，基面上設置有可上下移動的成型平臺，鋪料時當料箱經過成型平臺時，原料依靠重力落下并被料箱后壁鋪展在成型平臺上。按照此方法，在供料、鋪料同時，即可實現纖維的長程有序。且該料箱鋪料方向及速度可調，利用其與纖維間的摩擦作用，便可使纖維定向組裝。

如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發明主要部件包含主機架1、數字掩膜光固化系統2、控制系統3、成型平臺4、料箱5。由步進電機帶動滑塊沿導軌運動，實現料箱X向與Y向運動；同時料箱可以由步進電機驅動繞Z軸轉動；數字掩膜光固化系統2固定于主機架1的頂部，位于成型平臺4正上方。

本發明之料箱的前后壁(長邊)底部截面形狀為V型，其兩邊與基面夾角為α和β，α＝30-60°，β＝30-60°。

本發明所用液態基質材料為光敏樹脂，粘度選擇范圍為300-10000CPS(20℃)；短纖維材料可采用碳纖維、玻纖、金屬纖維及天然纖維。纖維截面形狀可為圓型、橢圓形及多邊形，直徑范圍為5μm—500μm，長徑比范圍為10—200，纖維與液體基質比含量為0wt％—85wt％。

本發明中鋪料過程參數對定向效果影響顯著。鋪料過程參數包括料倉沿X、Y軸移動的速度與加速度、繞Z軸旋轉的速度與加速度以及鋪料層厚。由于刮刀幾何參數、鋪粉厚度、鋪粉速度及加速度可調，在定向的過程中，可通過優化以上參數，實現最理想的狀態：纖維不產生平移，實現原地旋轉定向。具體實施工藝步驟如下：

步驟1：材料的組成及料箱的選擇。

選擇纖維材料和液態基質材料，確定纖維含量；選擇合適的料箱前后壁(長邊)底部截面形狀。

步驟2：運用3D建模軟件(如SolidWorks)建立實體模型，導出STL文件至切片軟件，經過該系統的數據分析，生成料箱5沿X、Y軸的移動及繞Z軸旋轉的數據，成型平臺4沿Z軸移動數據、數字掩膜光固化系統2的圖片信息以及曝光時間t。

步驟3：對料箱5、成型平臺4進行機械調零，并將預先混合均勻的漿料注入料箱5內，即圖11所示。

步驟4：設定單層厚度，成型平臺下降一個層厚，即圖12所示。根部步驟2中得出的料箱5沿X、Y軸的移動及繞Z軸旋轉的數據，料箱5以一定的速度沿著特定的路徑行進，料箱后壁致使短纖維沿著特定的取向排布。

步驟5：根據步驟2所得數字掩膜光固化系統2的圖片信息以及曝光時間t，對步驟4中單層材料進行選擇性區域固化，曝光時間為5-10S，即圖13所示。

步驟6：固化完成后，成型平臺4下降一個層厚的高度，料箱5按第二層路徑數據反向鋪料，即圖14所示。

步驟7:根據步驟2所得數字掩膜光固化系統2的圖片信息以及曝光時間t，對步驟6中單層材料進行選擇性區域固化，曝光時間為5-10S，即圖15所示。

步驟8：重復步驟4—7，層層堆疊，即圖16所示。