一种基于高、低温双材料空间分布的打印方法技术

本发明专利技术提供一种基于高、低温双材料空间分布的打印方法，通过填充单元体类型的设定，使得制件中连续纤维预浸渍丝材部分在空间分布上被树脂或短纤增强树脂丝材部分立体包覆，实现打印制件刚度、能量吸收性的性能均匀性调控；同时协同打印高、低温树脂材料，形成制件的高温树脂框架，并对打印制件中的低温树脂材质定向热处理，可实现在不影响制件最终成形精度的情况下，弥合制件内孔隙，优化界面结合效果，改善连续纤维浸渍程度，提升力学性能。提升力学性能。提升力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于高、低温双材料空间分布的打印方法


[0001]本专利技术属于高端装备制造
；尤其涉及一种基于高、低温双材料空间分布的打印方法。

技术介绍

[0002]近年来随着连续纤维增强热塑性树脂基复合材料增材制造技术的发展，国内外已有若干研究团队推出系列成形设备，如中国斐帛科技公司的COMBOT
‑
1、美国Markforged公司的Mark2、俄罗斯Anisoprint公司的Composer A4等。市场设备中也不乏双喷头打印设备，并已实现多材料的打印(一个打印头打印树脂或短纤增强树脂丝材，另一个打印连续干纤维或连续纤维预浸丝材)，其中树脂或短纤增强树脂丝材用于
①
支撑结构打印，
②
覆盖连续纤维打印层以提升最终制件表面质量。
[0003]现有连续纤维双喷头打印方案的打印路径和材料使用上有如下特点：
[0004]①
连续纤维层基于目标制件纵向等分切片获得，连续纤维预浸渍丝材部分与树脂丝材部分基于固定的面内分布规则进行打印路径规划，该方式是以打印层作为可变的路径排布对象，连续纤维层内的连续纤维排布方式固定，如典型的连续纤维层与短纤增强树脂层的堆叠排布，形成的夹层结构。
[0005]②
树脂或短纤增强树脂丝材和连续纤维预浸丝材所用树脂为温度特性接近的树脂，通常为相同的树脂，如PLA丝材与连续碳纤维增强PLA预浸渍丝材搭配使用。
[0006]学术研究表明，连续纤维双喷头打印方案，即采用树脂或短纤增强树脂丝材与连续纤维预浸丝材复合打印，相较单一纤维复合材料丝材打印制件，树脂或短纤增强树脂丝材的加入，使制件具有可调节刚度和更好的能量吸收特性。但同时也引入了新的孔隙缺陷，进而导致层间剪切性能的退化。为此业内通常采用热处理的方式来期望弥合制件的孔隙，以改善界面结合状态，减少树脂或短纤增强树脂丝材加入的不利影响。
[0007]受限于上述现有连续纤维双喷头打印方案的打印路径和材料使用的特点，存在以下成形局限：
[0008]①
在打印路径中，较难实现连续纤维预浸渍丝材在空间分布上被树脂或短纤增强树脂丝材立体包覆，即不便于在制件纵向切面上均布连续纤维预浸渍丝材和树脂或短纤增强树脂丝材路径，从而难以充分释放短纤增强树脂部分在成形制件刚度调节和能量吸收特性的有益作用。
[0009]②
在热处理时，考虑树脂基体的温度特性会导致制件受热变形，降低制件整体的精度，因此热处理温度较低，孔隙弥合的效果不达预期。

技术实现思路

[0010]为解决上述问题，本专利技术公开了一种基于高、低温双材料空间分布的打印方法，目的是提供一种连续纤维双喷头打印空间路径生成方案，实现制件以连续纤维预浸渍丝材在空间分布上被树脂或短纤增强树脂丝材立体包覆的形式成形。并基于此通过采用高温树脂
或短纤增强高温树脂丝材与连续纤维预浸渍低温树脂丝材协同打印，通过对定向热处理低温树脂的形式，在不影响制件整体精度的前提下，提升热处理效果，强化制件性能。
[0011]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0012]一种基于高、低温双材料空间分布的打印方法，包括的连续纤维双喷头打印空间路径生成方案为：
[0013]步骤1：设定打印宽度w、打印层厚t、打印壁厚l、填充单元体类型；
[0014]步骤2：以打印层厚t对目标制件进行水平切片，提取各层轮廓形状信息集{Ci}，各层轮廓内缩壁厚l，获得对应各层的填充域信息集{Ri}，以宽度w分割各层填充域{Ri}，最终将各切片层统一切分为由回形壁和若干矩形填充条构成的几何集{Mi}，其中各层所有矩形填充条构成的集合为填充体{Si}；
[0015]步骤3：以选定的单元体类型对填充体{Si}以从上至下，从左至右的顺序进行填充；
[0016]步骤4：提取几何集{Mi}中的各几何形状的中心线均为一节打印路径，打印路径连接顺序为：单层是由外壁路径链接到填充域路径，其中填充域路径为由左至右顺序连接，将单层打印路径由底层至顶层顺序连接，形成目标制件整体打印路径；
[0017]步骤5：外壁路径标记为树脂或短纤增强树脂材质；步骤3中单元体中树脂或短纤增强树脂丝材和连续纤维预浸丝材部分分别标记到各自的打印路径中；步骤3中单元体无法对填充体{Si}填充的部分所对应的路径，标记为树脂或短纤增强树脂材质；至此完成所有打印路径材料的标记，即完成各节打印路径对应的打印头标记。
[0018]进一步的，所述的树脂或短纤增强树脂材质为高温树脂，连续纤维预浸丝材的树脂基体为低温树脂，且低温树脂热分解温度应高于高温树脂熔点。上述材材料的选择，可构建出由高温树脂构成的制件整体框架，并将连续纤维预浸渍丝材均匀包覆，在后处理中对连续纤维预浸渍丝材的低温树脂进行定向热处理，即可在不影响制件最终成形精度的情况下，弥合制件内孔隙，并提升连续纤维浸渍程度。
[0019]进一步的，所述的连续纤维双喷头打印空间路径生成方案中设定的填充单元体由步骤2所述的矩形填充条组成的矩形结构，每个矩形填充条标记有对应的材质，依据树脂或短纤增强树脂丝材和连续纤维预浸丝材分布的不同，单元体有三种设计结构：
[0020]①3×
3单元体
[0021]第一层：低温、高温、低温，
[0022]第二层：高温、低温、高温，
[0023]第三层：低温、高温、低温；
[0024]对应的单元体中高/低温材料空间分布配比为4：5；
[0025]②4×
4单元体
[0026]第一层：低温、高温、高温、低温，
[0027]第二层：高温、低温、低温、高温，
[0028]第三层：高温、低温、低温、高温，
[0029]第四层：低温、高温、高温、低温；
[0030]对应的单元体中高/低温材料空间分布配比为5：5；
[0031]③5×
5单元体
[0032]第一层：低温、高温、高温、高温、低温，
[0033]第二层：高温、低温、低温、低温、高温，
[0034]第三层：高温、低温、高温、低温、高温，
[0035]第四层：高温、低温、低温、低温、高温，
[0036]第五层：低温、高温、高温、高温、低温。
[0037]对应的单元体中高/低温材料空间分布配比为13：12；
[0038]上述三种设计单元体结构均可实现制件中连续纤维预浸渍丝材部分在空间分布上被树脂或短纤增强树脂丝材部分立体均匀包覆，即高/低温材料空间分布占比为50％，但对于制件形状及大小的适用性依次减弱。
[0039]进一步的，打印完成后，对样件热处理温度范围设置在低温树脂熔点至高温树脂熔点之间，根据成形样件尺寸确定加热时间，加热时间至少为3小时。
[0040]本专利技术的有益效果如下：
[0041](1)提供一种连续纤维双喷头打印空间路径生成方案，通过填充单元体类型的设定，使得制件中连续纤维预浸渍丝材部分在空间分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高、低温双材料空间分布的打印方法，其特征在于，采用的连续纤维双喷头打印空间路径生成步骤为：步骤1：设定打印宽度w、打印层厚t、打印壁厚l、填充单元体类型；步骤2：以打印层厚t对目标制件进行水平切片，提取各层轮廓形状信息集{C
i
}，各层轮廓内缩壁厚l，获得对应各层的填充域信息集{R
i
}，以宽度w分割各层填充域{R
i
}，最终将各切片层统一切分为由回形壁和若干矩形填充条构成的几何集{M
i
}，其中各层所有矩形填充条构成的集合为填充体{S
i
}；步骤3：以选定的单元体类型对填充体{S
i
}以从上至下，从左至右的顺序进行填充；步骤4：提取几何集{M
i
}中的各几何形状的中心线均为一节打印路径，打印路径连接顺序为：单层是由外壁路径链接到填充域路径，其中填充域路径为由左至右顺序连接，将单层打印路径由底层至顶层顺序连接，形成目标制件整体打印路径；步骤5：外壁路径标记为树脂或短纤增强树脂材质；步骤3中单元体中树脂或短纤增强树脂丝材和连续纤维预浸丝材部分分别标记到各自的打印路径中；步骤3中单元体无法对填充体{S
i
}填充的部分所对应的路径，标记为树脂或短纤增强树脂材质；至此完成所有打印路径材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈意伟，单忠德，宋亚星，范聪泽，郑菁桦，宋文哲，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：