連續纖維增強三維打印工藝、嵌入方法和軟件開發方法技術

本發明專利技術涉及一種連續纖維增強三維打印工藝、嵌入方法和軟件開發方法，工藝包括：對目標零件本體進行三維建模，得到目標零件本體模型；根據目標零件本體設計CF增強方案，獲得CF增強路徑；在CF增強路徑上設置打印工藝參數，獲得三維的CF分布空間；將目標零件本體模型與CF分布空間進行布爾減運算，獲得樹脂基體零件模型；利用切片軟件對樹脂基體零件模型進行等層厚切片，獲得樹脂G

【技術實現步驟摘要】
連續纖維增強三維打印工藝、嵌入方法和軟件開發方法


[0001]本專利技術涉及連續纖維復合材料FDM打印
，尤其是涉及連續纖維增強三維打印工藝、嵌入方法和軟件開發方法。

技術介紹

[0002]傳統的熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,FDM)雖然靈活，但由于其所普遍采用的熱塑性樹脂材料(如：工程塑料ABS、聚乳酸PLA等)機械性能不佳，打印零件無法應對高載荷工況。傳統機加工所使用的金屬材料制成的零件雖具有較高的強度，但成品零件質量較大，并且對復雜零件的加工具有較大難度。連續纖維復合材料FDM打印技術的出現充分融合了這二者的優點：這種打印充分發揮了FDM打印靈活的優勢，在樹脂件中加入連續纖維(Continuous Fiber,CF)增強，使較低質量的樹脂基體打印件可以提供與金屬相媲美的較高強度，大大提高了零件質量效率。而該技術實現的核心及難點便在于連續纖維增強打印工藝，即：如何將CF完美鋪設到樹脂零件中，既不影響零件整體外形，又保證CF與樹脂結合地扎實牢固。

技術實現思路

[0003]本專利技術的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種連續纖維增強三維打印工藝、嵌入方法和軟件開發方法，將CF完美鋪設到樹脂零件中，既不影響零件整體外形，又保證CF與樹脂結合地扎實牢固。
[0004]本專利技術的目的可以通過以下技術方案來實現：
[0005]一種連續纖維增強三維打印工藝，包括以下步驟：
[0006]對目標零件本體進行三維建模，得到目標零件本體模型；
[0007]根據目標零件本體設計CF增強方案，進而獲得CF增強路徑；
[0008]在所述CF增強路徑上設置對應的打印工藝參數，獲得三維的CF分布空間；將所述目標零件本體模型與所述CF分布空間進行布爾減運算，獲得已預留纖維填充位置的樹脂基體零件模型；
[0009]利用切片軟件對所述樹脂基體零件模型進行等層厚切片，獲得樹脂基體模型的樹脂G
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Code；
[0010]根據所述CF增強路徑生成連續纖維G
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Code；
[0011]將所述連續纖維G
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Code按照所述等層厚切片的倍數關系間隔插入樹脂G
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Code內，得到融合了樹脂和連續纖維的復合G
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Code；
[0012]采用連續纖維增強復合材料打印機根據所述復合G
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Code進行三維打印，得到連續纖維增強零件。
[0013]進一步地，所述等層厚切片為選取樹脂層厚和連續纖維層厚兩者之間構成的整數倍關系進行切片。
[0014]進一步地，若所述CF增強方案包含多個相交的路徑，則根據相交的路徑生成多個
CF增強路徑，各個CF增強路徑依次交替層疊獲得所述CF分布空間；根據各個CF增強路徑分別生成多個連續纖維G
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Code，并按照層數逐層插入所述樹脂G
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Code內，得到復合G
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Code。
[0015]本專利技術還提供一種連續纖維增強三維打印工藝的嵌入方法，用于在連續纖維增強三維打印過程中，將連續纖維嵌入樹脂基體內，所述方法包括：
[0016]起點壓入步驟：在各個連續纖維路徑的起點部分進行結構調整，使得每條纖維在開始打印時壓入樹脂基體。
[0017]進一步地，當連續纖維路徑的起始點為盲端時，所述起點壓入步驟包括：
[0018]將各層樹脂基體中CF預留槽的起始端向纖維方向移動，該移動的距離根據連續纖維種類及其工藝參數確定。
[0019]進一步地，當連續纖維路徑的起始點為非盲端，且當前連續纖維路徑存在相鄰的其他連續纖維路徑時，在樹脂基體中CF預留空間的對應位置設置臺階或突起，所述臺階和突起的大小根據連續纖維種類及其工藝參數確定。
[0020]進一步地，所述方法還包括：
[0021]漸近引入步驟：對于三維打印機的噴嘴垂直于打印平面的情況，在打印連續纖維前，執行預擠出動作，將連續纖維額外擠出噴嘴出口長度ΔE，然后壓彎后進行連續纖維嵌入過程。
[0022]進一步地，在打印連續纖維時，所述連續纖維的打印路徑起始點為M(x,y,z)，則設定所述預擠出動作的補償路徑起始點為N(x+Δx,y+Δy,z+Δz)，然后執行N點至M點的斜向下直線運動動作，預擠出的長度為ΔE的一段纖維沿連續纖維的打印路徑起始點方向壓彎，并通過噴嘴出口處的平面熱壓入樹脂基體中完成連續纖維引入。
[0023]進一步地，由Δx和Δy構成的矢量方向應與連續纖維的打印路徑起始點處的打印方向相反且在同一直線上，并且所述補償路徑起始點滿足：
[0024][0025]Δz＞ΔE
[0026]r≥ΔE
[0027]式中，r為連續纖維噴嘴出口處的熱壓平面半徑。
[0028]本專利技術還提供一種如上所述的一種連續纖維增強三維打印工藝的軟件開發方法，包括以下步驟：
[0029]設置多個軟件模塊，根據實際需求對各個軟件模塊進行拼接，得到完整的樹脂和纖維的復合代碼，所述多個軟件模塊包括：
[0030]Start模塊，用于進行初始化工作，執行后使得打印機進入待打印狀態；
[0031]End模塊，用于進行首尾工作，執行后使得打印機停止工作；
[0032]Resin模塊，用于進行樹脂基體正式打印以及打印過程中的輔助性操作；
[0033]CF模塊，用于CF正式打印以及打印過程中的輔助性操作；
[0034]Resin2CF模塊，用于由樹脂基體打印到CF打印的轉換操作；
[0035]CF2Resin模塊，用于由CF打印到樹脂基體打印的轉換操作。
[0036]與現有技術相比，本專利技術具有以下優點：
[0037](1)本專利技術的連續纖維增強三維打印工藝提出等層厚嵌入式打印工藝，通過將相交的CF路徑分層打印，在每一層CF嵌入完成后均可以獲得平整致密的表面，既保證了增強
零件的致密度，又可以使打印不受零件幾何外形與高度的限制，同時也為CF的增強路徑設計帶來了更多可能性。
[0038](2)本專利技術提出的嵌入方法在各CF路徑的打印起點部分，制造小范圍的路徑與樹脂基體零件模型的重合，從而讓每條纖維在開始打印時壓入基體，與基體樹脂材料充分接觸融合提高起點粘接效果，既保證起始點出絲順利，又為后續CF的順利鋪設粘接提供保障。
[0039](3)本專利技術的嵌入方法還考慮到由于3軸三維打印機其噴嘴多于打印平面垂直，這對垂直伸出的連續纖維和水平的樹脂基體之間的粘接帶來了很大挑戰的問題，提出漸近引入策略，準備打印CF前，執行預擠出動作，將預擠出的纖維沿CF路徑起點方向壓彎，并通過噴嘴出口處的平面熱壓入樹脂基體中完成CF引入，使CF與樹脂基體結合緊密，提高打印成功率和CF嵌入質量。
[0040](4)本專利技術還針對連續纖維增強三維打印工藝提出軟件開發方法，通過模塊化的軟件開發邏輯，進而根據具體需求進本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種連續纖維增強三維打印工藝，其特征在于，包括以下步驟：對目標零件本體進行三維建模，得到目標零件本體模型；根據目標零件本體設計CF增強方案，進而獲得CF增強路徑；在所述CF增強路徑上設置對應的打印工藝參數，獲得三維的CF分布空間；將所述目標零件本體模型與所述CF分布空間進行布爾減運算，獲得已預留纖維填充位置的樹脂基體零件模型；利用切片軟件對所述樹脂基體零件模型進行等層厚切片，獲得樹脂基體模型的樹脂G
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Code；根據所述CF增強路徑生成連續纖維G
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Code；將所述連續纖維G
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Code按照所述等層厚切片的倍數關系間隔插入樹脂G
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Code內，得到融合了樹脂和連續纖維的復合G
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Code；采用連續纖維增強復合材料打印機根據所述復合G
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Code進行三維打印，得到連續纖維增強零件。2.根據權利要求1所述的一種連續纖維增強三維打印工藝，其特征在于，所述等層厚切片為選取樹脂層厚和連續纖維層厚兩者之間構成的整數倍關系進行切片。3.根據權利要求1所述的一種連續纖維增強三維打印工藝，其特征在于，若所述CF增強方案包含多個相交的路徑，則根據相交的路徑生成多個CF增強路徑，各個CF增強路徑依次交替層疊獲得所述CF分布空間；根據各個CF增強路徑分別生成多個連續纖維G
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Code，并按照層數逐層插入所述樹脂G
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Code內，得到復合G
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Code。4.一種連續纖維增強三維打印工藝的嵌入方法，其特征在于，用于在連續纖維增強三維打印過程中，將連續纖維嵌入樹脂基體內，所述方法包括：起點壓入步驟：在各個連續纖維路徑的起點部分進行結構調整，使得每條纖維在開始打印時壓入樹脂基體。5.根據權利要求4所述的一種連續纖維增強三維打印工藝的嵌入方法，其特征在于，當連續纖維路徑的起始點為盲端時，所述起點壓入步驟包括：將各層樹脂基體中CF預留槽的起始端向纖維方向移動，該移動的距離根據連...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王玉，白捷仁，李帥帥，于穎，
申請(專利權)人：同濟大學，
類型：發明
國別省市：