連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印噴頭設(shè)計(jì)

鄭東昊 楊立寧 劉利劍 楊光 劉袁祿

摘 要：為了解決3D打印噴頭在成形過(guò)程中需要頻繁抬起和跳轉(zhuǎn)的問(wèn)題，研制一種具有復(fù)合絲材可控導(dǎo)入、高效熔融擠出及實(shí)時(shí)剪切功能的新型3D打印噴頭。首先，基于結(jié)構(gòu)原理和功能分析方法，對(duì)噴頭進(jìn)行分模塊化設(shè)計(jì);然后，對(duì)噴頭剪切裝置控制系統(tǒng)及其控制流程進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析;最后，采用所研制的3D打印噴頭實(shí)物進(jìn)行連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料預(yù)浸絲的熔融擠出及剪切試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用所設(shè)計(jì)的噴頭結(jié)構(gòu)以及程序控制方法，可以實(shí)現(xiàn)剪絲刀片在噴嘴末端對(duì)于復(fù)合材料的有效剪切，剪切斷口平整，驗(yàn)證了所研制的新型復(fù)合材料3D打印噴頭的可靠性和實(shí)用性。所提方法可有效避免噴頭在抬起和跳轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中引發(fā)的問(wèn)題，為連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印噴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)控制提供了參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)原理與方法;3D打印;噴頭;連續(xù)碳纖維;復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：TH164?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.7535/hbkd.2021yx06008

Design of three-dimensional printing nozzle of continuous carbon fiber reinforced composite

ZHENG Donghao1，YANG Lining1，LIU Lijian1，YANG Guang1，LIU Yuanlu2

（1.School of Mechanical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;2.Hebei Zhiqu Technology Company Limited，Shijiazhuang，Hebei 050018，China）

Abstract：Aiming at the process characteristics of frequent lifting and jumping of three-dimensional printing nozzle in the forming process，a new three-dimensional printing nozzle with the functions of controllable introduction of composite wire，efficient melt extrusion and real-time shearing was developed.Firstly，based on the method of structure principle and the function realization analysis，the modular design of the nozzle was carried out.Then，the control system and its control flow of the nozzle shearing device were designed and analyzed.Finally，the melting extrusion and clipping test of pre-impregnated continuous carbon fiber reinforced composite wire were performed by using the developed three-dimensional print nozzle.The experimental results show that by using the nozzle structure and program control method，the composite material can be effectively cut by the wire cutting blade at the end of the nozzle，and the clipping fracture was smooth，which verifies the reliability and practicality of the new developed three-dimensional printing nozzle.The provided method can effectively avoid the problems caused by the lifting and jumping of the nozzle，which provides useful reference and method basis for the structural design and motion control of continuous carbon fiber reinforced composite three-dimensional printing nozzle.

Keywords：

mechanical design principle and method;three-dimensional printing;nozzle;continuous carbon fiber;composite material

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高耐磨性、低密度、耐腐蝕、抗疲勞等性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍工、汽車制造等領(lǐng)域[1]。但是，現(xiàn)有連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備工藝主要以擴(kuò)散粘結(jié)法[2]、粉末冶金法[3]、熔融浸潤(rùn)法[4]、擠壓鑄造法[5]、真空壓力浸滲法[6]、無(wú)壓浸滲法[7]等為主，這些工藝方法大多需要高溫、高壓、氣氛保護(hù)等環(huán)境，不僅工藝流程復(fù)雜、制備成本高，還易導(dǎo)致碳纖維增強(qiáng)相和基體之間發(fā)生界面反應(yīng)，使得碳纖維受損，生成較脆的化合物，嚴(yán)重?fù)p害復(fù)合材料的機(jī)械性能。3D打印是一種利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在快速成形設(shè)備上高效而精確地制造出任意復(fù)雜形狀零件的高效率、柔性化制造技術(shù)[8-11]。近年來(lái)，采用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零部件的直接制造成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)[12-20]，該項(xiàng)成形技術(shù)不僅可以達(dá)到復(fù)合材料零部件由設(shè)計(jì)到成型的一體化，還可以實(shí)現(xiàn)成型過(guò)程中的精確控形控性，既縮短了零部件的制造流程，降低了成本，也滿足了成型質(zhì)量要求，因此相比傳統(tǒng)工藝方法具有顯著優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印噴頭設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方面，國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)展了較多研究工作。其中，美國(guó)Mark Forged公司開(kāi)發(fā)出了系列化復(fù)合材料3D打印設(shè)備，其打印噴頭內(nèi)部設(shè)計(jì)了剪切機(jī)構(gòu)，打印過(guò)程中可在接近噴嘴末端位置實(shí)現(xiàn)對(duì)于復(fù)合材料的實(shí)時(shí)剪斷。西安交通大學(xué)田小永等在所申請(qǐng)的發(fā)明專利“一種連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印機(jī)及其打印方法”中，提出了基于近噴嘴端剪切方式的復(fù)合材料3D噴頭設(shè)計(jì)[21]。武漢理工大學(xué)馬國(guó)鋒針對(duì)復(fù)合材料3D打印過(guò)程中的路徑跳轉(zhuǎn)處理需求，選擇遠(yuǎn)端剪切處理方式，設(shè)計(jì)了剪切機(jī)構(gòu)以及打印噴頭，并研究了成型系統(tǒng)與剪切系統(tǒng)的協(xié)調(diào)關(guān)系[22]。本文基于連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印工藝特點(diǎn)，研制出一種具有復(fù)合絲材實(shí)時(shí)剪切功能的新型3D打印噴頭，并進(jìn)行了實(shí)際功能應(yīng)用驗(yàn)證，該噴頭可以實(shí)現(xiàn)3D打印過(guò)程中對(duì)于復(fù)合材料絲材的實(shí)時(shí)可控剪斷，從而避免噴頭在抬起和跳轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中連續(xù)纖維由噴頭中被拉出，影響成形過(guò)程連續(xù)性和穩(wěn)定性的問(wèn)題，為連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印工藝的進(jìn)一步研究提供條件參考。

1 復(fù)合材料3D打印噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印噴頭結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。預(yù)先浸漬好的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料絲材在送絲對(duì)輪的驅(qū)動(dòng)作用下被送入絲材導(dǎo)管中;絲材導(dǎo)管下端安裝有加熱塊，加熱塊的熱量傳遞給導(dǎo)管內(nèi)的絲材，并使絲材中的基體材料（樹(shù)脂或金屬）高效熔化;熔融態(tài)基體與連續(xù)碳纖維的混合材料在上端絲材的推動(dòng)力作用下由導(dǎo)管末端噴嘴處被擠出并沉積于基板表面;噴嘴末端旁側(cè)安裝有切刀，在噴頭需要抬起或跳轉(zhuǎn)時(shí)將連續(xù)碳纖維切斷，避免被拉出而影響成形過(guò)程。

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印噴頭應(yīng)具有的主要功能為預(yù)浸絲的導(dǎo)入、加熱熔化、可控?cái)D出，以及復(fù)合絲材的實(shí)時(shí)剪切，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)考慮各部分之間的連接和固定。

在復(fù)合材料3D打印噴頭研制過(guò)程中，對(duì)于復(fù)合絲材實(shí)時(shí)剪切機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，通常采用的打印噴嘴直徑約為1 mm，同時(shí)要求剪切機(jī)構(gòu)在1 s內(nèi)能夠完成對(duì)于復(fù)合絲材的剪切動(dòng)作，因此本文所設(shè)計(jì)剪切機(jī)構(gòu)的剪切速度需大于1 mm/s。

如圖2 a）所示，噴頭的送絲及熔融擠出機(jī)構(gòu)主要由送絲對(duì)輪、連接管、加熱塊、噴嘴、散熱風(fēng)扇、散熱片，以及將這些零部件連接和固定起來(lái)的零件等組成。該機(jī)構(gòu)主要用于實(shí)現(xiàn)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料預(yù)浸絲的輸送及其加熱、擠出。連接管采用較小直徑的金屬管，可以有效降低加熱塊熱量沿絲材導(dǎo)管向上傳導(dǎo)，保證未熔化絲材具有足夠的抗彎模量，以傳遞軸向活塞推動(dòng)力。散熱風(fēng)扇和散熱片的設(shè)計(jì)也起到相同的作用。

如圖2 b）所示，噴頭的復(fù)合絲材剪切機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、絲杠、光杠、剪絲刀片、連接模塊、運(yùn)動(dòng)模塊等組成。該機(jī)構(gòu)主要用于完成在噴頭抬起或跳轉(zhuǎn)時(shí)的絲材剪斷動(dòng)作。在剪切過(guò)程中，電機(jī)通過(guò)絲杠傳動(dòng)，帶動(dòng)固定于運(yùn)動(dòng)模塊上的剪絲刀片左右移動(dòng)，刀片前部與噴嘴末端緊密貼合，因此刀片在移動(dòng)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于噴嘴末端復(fù)合材料的剪切。光杠用于運(yùn)動(dòng)模塊在移動(dòng)時(shí)的導(dǎo)向，連接模塊用于剪切機(jī)構(gòu)各零部件之間的連接和固定。根據(jù)噴頭剪切速度參數(shù)要求，所選電機(jī)在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速n=120 r/min，選用絲杠的導(dǎo)程s=1 mm/r，則在額定功率下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可帶動(dòng)剪切刀片在水平方向上的運(yùn)動(dòng)速度v= ns=120 r/min×1 mm/r=120 mm/min=2 mm/s，該參數(shù)滿足剪切機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和使用要求。

如圖2 c）所示，噴頭的連接固定平臺(tái)機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、絲杠、光杠、剪絲刀片、連接模塊、運(yùn)動(dòng)模塊等組成。該機(jī)構(gòu)主要用于將送絲及熔融擠出機(jī)構(gòu)與復(fù)合絲材剪切機(jī)構(gòu)連接并固定在一起，同時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)合絲材剪切機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動(dòng)。

圖2 d）所示為所設(shè)計(jì)噴頭的整體結(jié)構(gòu)，是由連接固定平臺(tái)機(jī)構(gòu)將送絲及熔融擠出機(jī)構(gòu)和剪切機(jī)構(gòu)連接并固定在一起所構(gòu)成，該噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足使用功能的前提下，也實(shí)現(xiàn)了較好的集成性。

噴頭剪絲動(dòng)作示意圖見(jiàn)圖3。

在連接固定平臺(tái)機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)通過(guò)絲杠傳動(dòng)，帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)模塊上下移動(dòng)，而剪切機(jī)構(gòu)則固定于運(yùn)動(dòng)模塊上。在需要剪切動(dòng)作時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模塊向下移動(dòng)，使得剪絲刀片前部與噴嘴末端平行，如圖3 a）所示，然后剪絲刀片向左運(yùn)動(dòng)完成剪切動(dòng)作，如圖3 b）所示。當(dāng)剪切動(dòng)作結(jié)束后，剪絲刀片向右移動(dòng)，然后電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模塊向上移動(dòng)，剪絲刀片回到初始位置，這樣可以避免打印過(guò)程中刀片與已成型表面發(fā)生相互碰撞。

2 噴頭剪切裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印噴頭剪切裝置控制系統(tǒng)主要控制功能包括剪切電壓信號(hào)的監(jiān)測(cè)、適用于噴頭電機(jī)驅(qū)動(dòng)的繼電器控制、限位傳感器信號(hào)的監(jiān)測(cè)等，控制流程如圖4所示。

首先，分析驅(qū)動(dòng)3D打印機(jī)完成路徑掃描的G代碼程序，并在噴頭抬起和跳轉(zhuǎn)的代碼前添加剪切裝置激發(fā)程序，生成新的G代碼。在打印過(guò)程中，當(dāng)G代碼運(yùn)行到剪切裝置激發(fā)程序段時(shí)，將由3D打印機(jī)向剪切裝置控制系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)大于4 V的電壓信號(hào)。然后由電壓監(jiān)測(cè)模塊對(duì)此信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由串口監(jiān)視器讀取和輸出該電壓值，再由Arduino單片機(jī)判斷該電壓值是否大于4 V，若電壓值大于4 V，則為剪切動(dòng)作激發(fā)信號(hào)。此時(shí)，剪切裝置在單片機(jī)的控制下，按照設(shè)定的順序完成整個(gè)剪切動(dòng)作。

第1步，繼電器1#和繼電器2#閉合，復(fù)合絲材剪切機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)模塊向右移動(dòng)，當(dāng)觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)1時(shí)，繼電器1#和繼電器2#斷開(kāi)，運(yùn)動(dòng)模塊停止移動(dòng)，完成退刀動(dòng)作。然后繼電器3#和繼電器4#閉合，連接固定平臺(tái)機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)模塊向上移動(dòng)，當(dāng)觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)2時(shí)，繼電器3#和繼電器4#斷開(kāi)，運(yùn)動(dòng)模塊停止移動(dòng)，完成刀片復(fù)位。

第2步，繼電器5#和繼電器6#閉合，連接固定平臺(tái)機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)模塊向下移動(dòng)，當(dāng)觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)3時(shí)，繼電器5#和繼電器6#斷開(kāi)，運(yùn)動(dòng)模塊停止移動(dòng)，完成刀片下移動(dòng)作。

第3步，繼電器7#和繼電器8#閉合，復(fù)合絲材剪切機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)模塊向左移動(dòng)，當(dāng)觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)4時(shí)，繼電器7#和繼電器8#斷開(kāi)，運(yùn)動(dòng)模塊停止移動(dòng)，完成刀片左移剪切動(dòng)作。

第4步重復(fù)第1步動(dòng)作，完成刀片復(fù)位，此時(shí)整個(gè)剪切動(dòng)作結(jié)束。

3 噴頭實(shí)際功能應(yīng)用驗(yàn)證

基于連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及噴頭剪切裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文進(jìn)行了噴頭實(shí)物的研制，并搭建完成了復(fù)合材料3D打印試驗(yàn)平臺(tái)，采用該試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行直徑為1 mm連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料預(yù)浸絲的熔融擠出打印及剪切試驗(yàn)，打印參數(shù)如表1所示，噴頭實(shí)物照片見(jiàn)圖5。

試驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)了長(zhǎng)度為10 cm的單道打印路徑，在掃描路徑程序最后添加了剪切裝置激發(fā)程序，以驅(qū)動(dòng)剪切機(jī)構(gòu)對(duì)于復(fù)合絲材的剪斷。圖6所示為實(shí)際剪切過(guò)程及剪切效果。由圖6可以看出：1）單道打印路徑質(zhì)量較好，且連續(xù)碳纖維均勻分布于路徑中央，并與基體材料形成了良好復(fù)合;2）剪絲刀片在噴嘴末端實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料的有效剪切，且剪切斷口平整，證明本文所研制的新型復(fù)合材料3D打印噴頭具有較好的可靠性和實(shí)用性。

4 結(jié) 論

1）基于對(duì)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印噴頭結(jié)構(gòu)原理的分析，確定了噴頭的主要功能，并將噴頭結(jié)構(gòu)分解為送絲及熔融擠出機(jī)構(gòu)、復(fù)合絲材剪切機(jī)構(gòu)、連接固定平臺(tái)機(jī)構(gòu)3部分，通過(guò)分模塊化設(shè)計(jì)完成了噴頭的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)噴頭結(jié)構(gòu)在滿足使用功能的前提下，也實(shí)現(xiàn)了較好的集成性。

2）分析了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印噴頭剪切裝置控制系統(tǒng)的主要功能，進(jìn)行了剪切裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，制定了噴頭剪切動(dòng)作控制流程。

3）基于噴頭結(jié)構(gòu)以及剪切裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，研制出了噴頭實(shí)物并搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了復(fù)合材料預(yù)浸絲的熔融擠出打印及剪切試驗(yàn)。結(jié)果顯示，剪絲刀片在噴嘴末端實(shí)現(xiàn)了對(duì)于復(fù)合材料的有效剪切，且剪切斷口平整，驗(yàn)證了本文所研制新型復(fù)合材料3D打印噴頭的可靠性和實(shí)用性。

本文主要針對(duì)目前連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印工藝試驗(yàn)中所存在的實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)行了新型結(jié)構(gòu)噴頭的設(shè)計(jì)和研制。未來(lái)還需要根據(jù)實(shí)際工藝及使用要求等進(jìn)一步完善該噴頭結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，增加其可靠性和實(shí)用性。

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收稿日期：2021-08-18;修回日期：2021-10-10;責(zé)任編輯：馮 民

基金項(xiàng)目：河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（21351002D）;石家莊市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（211080041A）

第一作者簡(jiǎn)介：鄭東昊（1994—），男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事復(fù)合材料增材制造技術(shù)方面的研究。

通訊作者：楊立寧博士。E-mail：yang_li_ning@126.com

鄭東昊，楊立寧，劉利劍，等.

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印噴頭設(shè)計(jì)

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ZHENG Donghao，YANG Lining，LIU Lijian，et al.

Design of three-dimensional printing nozzle of continuous carbon fiber reinforced composite

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