碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印機(jī)設(shè)計(jì)

0 引言

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）是碳纖維與樹(shù)脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合而成的結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度高、比模量高、密度小、強(qiáng)度高、抗疲勞、抗震以及耐高溫等特點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于航空、航天、國(guó)防軍工、體育器材等多領(lǐng)域[2]，被稱(chēng)為國(guó)家戰(zhàn)略性材料。碳纖維成型需要一系列復(fù)雜、繁瑣的工藝，不僅需要精確的模具，還需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。碳纖維3D打印技術(shù)能夠同時(shí)發(fā)揮材料特性與成型方式的優(yōu)勢(shì)，從打印原型過(guò)渡到功能性零部件的直接打印，大大拓展非金屬材料3D打印工業(yè)應(yīng)用的范圍和深度[3～5]，解決碳纖維復(fù)合材料成型工藝繁瑣、無(wú)法制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜零部件等問(wèn)題[6]。用碳纖維復(fù)合材料3D打印機(jī)打印的零件強(qiáng)度非常高，強(qiáng)度-重量的比值甚至超過(guò)了6061-T6鋁合金。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)碳纖維3D打印的研究大多限于碳纖維短纖材料[7]，短纖碳纖維對(duì)改善零件力學(xué)性能的效果一般，長(zhǎng)纖碳纖維能很好的改善零件的力學(xué)性能。美國(guó)的Markfroged公司生產(chǎn)的Mark Two 3D打印機(jī)能以O(shè)nyx材料（70%尼龍+30%短切碳纖維）為基體材料，長(zhǎng)纖碳纖維為增強(qiáng)材料打印碳纖維復(fù)合材料。針對(duì)碳纖維長(zhǎng)纖的3D打印，由于纖維的連續(xù)性特點(diǎn)，無(wú)法進(jìn)行類(lèi)似熱塑性材料3D打印的靈活跳轉(zhuǎn)，需要在成型過(guò)程中對(duì)跳轉(zhuǎn)路徑進(jìn)行斷點(diǎn)識(shí)別和切斷處理，以適應(yīng)復(fù)雜三維模型的成型[8]。

本文首先分析了碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印機(jī)工作原理，設(shè)計(jì)了FDM碳纖維長(zhǎng)纖強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印機(jī)，分析碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印機(jī)控制系統(tǒng)。提出雙材料分層打印算法，并研究了長(zhǎng)纖碳纖維連續(xù)性路徑規(guī)劃算法，開(kāi)發(fā)了碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印機(jī)切片軟件。

1 雙噴頭3D打印機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 雙噴頭3D打印機(jī)工作原理

圖1為碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印原理示意圖，以FDM（熔融沉積成型法）方式打印。工作時(shí)，PLA作為基體材料，長(zhǎng)纖碳纖維作為增強(qiáng)材料，兩種材料打印形成碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料。

圖1 碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印原理示意圖

首先在切片軟件中定義長(zhǎng)纖碳纖維層層號(hào)，長(zhǎng)纖碳纖維作為增強(qiáng)材料加入到PLA材料層中。在即將打印長(zhǎng)纖碳纖維層時(shí)，噴頭會(huì)切換到長(zhǎng)纖碳纖維噴頭。同理，在即將打印PLA層時(shí)，噴頭會(huì)切換到PLA噴頭。主體材料是PLA，長(zhǎng)纖碳纖維層一般只有幾層。PLA在加熱塊中加熱塊中加熱成熔融狀態(tài)后從噴嘴中擠出，長(zhǎng)纖碳纖維在加熱塊中不會(huì)融化，它會(huì)從噴嘴中擠出后鋪放在已打印的PLA材料上作為增強(qiáng)材料。在切斷點(diǎn)處用長(zhǎng)纖碳纖維剪切機(jī)構(gòu)將長(zhǎng)纖碳纖維剪斷，以保持長(zhǎng)纖碳纖維成型路徑的連續(xù)性。

長(zhǎng)纖碳纖維噴嘴比PLA噴嘴高一點(diǎn)，避免長(zhǎng)纖碳纖維噴嘴刮傷已打印好的零件表面。通過(guò)X、Y軸電機(jī)帶動(dòng)雙噴頭按照切片后的路徑逐層打印，每打印完一層，Z軸電機(jī)帶動(dòng)打印平臺(tái)下降一個(gè)層厚的距離，材料層層疊加，直到打印完整個(gè)零件。

1.2 碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括鋁型材框架、X/Y/Z三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、雙噴頭擠出機(jī)構(gòu)、活動(dòng)打印平臺(tái)、皮帶張緊機(jī)構(gòu)、長(zhǎng)纖碳纖維剪切機(jī)構(gòu)。

圖2 碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

3D打印機(jī)的框架采用歐標(biāo)2020鋁型材。X、Y軸電機(jī)帶動(dòng)噴頭在X、Y平面上運(yùn)動(dòng)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為噴頭在直線導(dǎo)軌上的直線運(yùn)動(dòng)。Z軸采用絲桿傳動(dòng)，將絲桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為打印平臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括傳動(dòng)軸、同步輪、同步帶、絲桿，用來(lái)傳遞X、Y、Z軸上的運(yùn)動(dòng)。雙噴頭擠出機(jī)構(gòu)包括尼龍擠出機(jī)、長(zhǎng)纖碳纖維擠出機(jī)、雙噴頭（PLA噴頭、長(zhǎng)纖碳纖維噴頭），長(zhǎng)纖碳纖維擠出機(jī)和PLA擠出機(jī)都安裝在固定板上，采用遠(yuǎn)端送絲方式，這種方式相比于近端送絲方式可以減輕噴頭的重量，3D打印機(jī)工作時(shí)不會(huì)出現(xiàn)明顯的振動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)高速打印，提高打印精度和速度。

活動(dòng)打印平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)零件打印完后，可以將打印平臺(tái)取出，從而很方便的將零件從打印平臺(tái)上取出。皮帶張緊機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可以調(diào)整同步帶的張力，從而能夠?qū)崿F(xiàn)快速?gòu)埦o同步帶。長(zhǎng)纖碳纖維剪切機(jī)構(gòu)由舵機(jī)和刀片組成，舵機(jī)帶動(dòng)刀片在路徑跳轉(zhuǎn)點(diǎn)把長(zhǎng)纖碳纖維剪斷，以保證長(zhǎng)纖碳纖維成型路徑的連續(xù)性。

2 雙噴頭3D打印機(jī)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)可分為三個(gè)部分：上位機(jī)軟件系統(tǒng)、下位機(jī)控制系統(tǒng)、機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)。上位機(jī)軟件系統(tǒng)的功能是將三維CAD軟件生成的stl模型導(dǎo)入切片軟件中，生成控制下位機(jī)控制系統(tǒng)的G代碼。下位機(jī)控制系統(tǒng)控制相應(yīng)的機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)完成打印運(yùn)動(dòng)。控制主板執(zhí)行上位機(jī)軟件系統(tǒng)生成的G代碼，通過(guò)X、Y、Z軸電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)X、Y、Z軸電機(jī)，完成成型運(yùn)動(dòng)；通過(guò)X、Y、Z軸限位控制，控制限位開(kāi)關(guān)；通過(guò)剪切機(jī)構(gòu)控制，完成碳纖維剪切運(yùn)動(dòng)。通過(guò)雙噴頭擠出控制，完成材料的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；通過(guò)雙噴頭溫度控制，完成雙噴頭加熱；通過(guò)雙噴頭協(xié)調(diào)控制，完成雙噴頭協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印控制系統(tǒng)

選用的控制主板是UM2（Ultimaker2）主板，UM2主板能滿足雙噴頭控制要求，預(yù)留擴(kuò)展口可增加控制碳纖維剪切運(yùn)動(dòng)功能。由于長(zhǎng)纖碳纖維連續(xù)性的特點(diǎn)，需要對(duì)碳纖維剪切運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，基于UM2（Ultimaker2）主板的拓展口功能，選擇一組擴(kuò)展I/O口來(lái)控制長(zhǎng)纖碳纖維剪切機(jī)構(gòu)。在纖維切斷點(diǎn)處增加切斷執(zhí)行M代碼，自定義長(zhǎng)纖碳纖維剪切M代碼功能，進(jìn)行長(zhǎng)纖碳纖維切斷動(dòng)作。

3 3D打印路徑規(guī)劃方法與切片軟件設(shè)計(jì)

3.1 3D打印雙材料分層打印算法及連續(xù)性路徑規(guī)劃

雙噴頭是整個(gè)打印機(jī)的核心，碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印機(jī)不同于雙噴頭混色3D打印機(jī)。第一，長(zhǎng)纖碳纖維是作為增強(qiáng)材料加入到PLA材料層中的，如圖4所示。打印模型經(jīng)切片處理過(guò)程被切片分層，其中有幾層是長(zhǎng)纖碳纖維層，這與傳統(tǒng)的3D打印有很大區(qū)別，傳統(tǒng)3D打印對(duì)雙材料切片處理無(wú)法定義每一層的材料信息。第二，長(zhǎng)纖碳纖維由于其連續(xù)性的特點(diǎn)，在打印過(guò)程無(wú)法像熱塑、熱固性材料那樣進(jìn)行回抽，需要在其路徑跳轉(zhuǎn)點(diǎn)將其切斷，以保證長(zhǎng)纖碳纖維成型路徑的連續(xù)性，與傳統(tǒng)3D打印熱固、熱塑性材料可以靈活跳轉(zhuǎn)有很大區(qū)別。為了減少路徑跳轉(zhuǎn)點(diǎn)，減少打印時(shí)間，需要對(duì)長(zhǎng)纖碳纖維成型路徑進(jìn)行合理的規(guī)劃。如何規(guī)劃雙材料插入的順序、長(zhǎng)纖碳纖維的成型路徑是關(guān)鍵問(wèn)題。

圖4 碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料

3.1.1 雙材料分層打印算法

針對(duì)傳統(tǒng)3D打印切片處理無(wú)法定義每一層的材料信息的問(wèn)題，提出了雙材料分層打印算法，如圖5所示。該算法的思想為：首先載入stl模型，然后定義碳纖維增強(qiáng)層位置，就相當(dāng)于在切片輪廓中定義了材料信息。對(duì)模型進(jìn)行切片處理，得到每一層的切片輪廓，逐層提取切片輪廓，判斷該層是否屬于PLA層，若屬于PLA層，則使用PLA路徑規(guī)劃算法，否則使用長(zhǎng)纖碳纖維路徑規(guī)劃算法，逐層提取，直到提取完所有輪廓，得到模型路徑規(guī)劃信息。

圖5 雙材料分層打印算法流程圖

3.1.2 長(zhǎng)纖碳纖維連續(xù)性路徑規(guī)劃

由于長(zhǎng)纖碳纖維連續(xù)性的特點(diǎn)，需要對(duì)其打印路徑進(jìn)行合理的規(guī)劃，以保證長(zhǎng)纖碳纖維成型路徑的連續(xù)性。長(zhǎng)纖碳纖維不同于熱固、熱塑性塑料，熱固、熱塑性塑料加熱到指定溫度后成熔融狀態(tài)從噴嘴擠出。長(zhǎng)纖碳纖維本質(zhì)是碳，熔點(diǎn)很高，加熱到指定溫度融化不了，它是以纖維鋪放的形式形成長(zhǎng)纖碳纖維層。在長(zhǎng)纖碳纖維鋪放過(guò)程中，不可避免出現(xiàn)路徑跳轉(zhuǎn)點(diǎn)，為了保證長(zhǎng)纖碳纖維的成型路徑連續(xù)性，需要在路徑跳轉(zhuǎn)點(diǎn)用長(zhǎng)纖碳纖維剪切機(jī)構(gòu)將其剪斷。

如圖6所示為傳統(tǒng)固定往返直線填充路徑，在一層上存在大量路徑跳轉(zhuǎn)點(diǎn)，基本上沒(méi)有連續(xù)路徑，如紅色橢圓圈所示。如圖7所示為“Z”字型填充路徑，一層上只有少數(shù)幾個(gè)路徑跳轉(zhuǎn)點(diǎn)，如紅色圓圈所示。由此可見(jiàn)，對(duì)長(zhǎng)纖碳纖維填充路徑采用“Z”字型路徑填充算法，相比傳統(tǒng)固定往返直線填充算法路徑跳轉(zhuǎn)點(diǎn)減少很多，可以提高打印速度。

圖6 傳統(tǒng)固定往返直線填充路徑

圖7 “Z”字型填充路徑

3.2 切片軟件設(shè)計(jì)

基于長(zhǎng)纖碳纖維連續(xù)性及雙噴頭打印的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印機(jī)切片軟件，軟件關(guān)鍵在于雙材料分層打印算法及長(zhǎng)纖碳纖維連續(xù)性路徑規(guī)劃。切片軟件采用QT+VS2015軟件平臺(tái)，Window10操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。軟件界面用QT編譯實(shí)現(xiàn)，核心語(yǔ)言C++，在VS2015平臺(tái)上編譯實(shí)現(xiàn)。采用VTK庫(kù)顯示stl模型及切平面。切片軟件功能模塊包括：自定義參數(shù)模塊、模型顯示模塊、機(jī)型設(shè)置模塊、專(zhuān)業(yè)設(shè)置模塊、G代碼顯示模塊。如圖8所示。

圖8 碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印機(jī)切片軟件

首先導(dǎo)入需要打印的stl模型，在界面上可以顯示導(dǎo)入的stl模型、模型的法向量和頂點(diǎn)坐標(biāo)信息。然后修改打印參數(shù)，打印參數(shù)有基本和高級(jí)兩個(gè)選項(xiàng)框，參數(shù)修改完后，點(diǎn)擊切片按鈕生成G代碼文本，在界面上也可以顯示生成的G代碼?？梢圆榭辞衅竺恳粚拥那忻妫@示打印時(shí)間。

4 打印驗(yàn)證

如圖9所示為設(shè)計(jì)組裝好的碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印機(jī)實(shí)物圖，將三維CAD軟件生成的stl模型導(dǎo)入碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印機(jī)切片軟件中。設(shè)置初始層厚0.3mm，層厚0.2mm；PLA打印溫度210°，長(zhǎng)纖碳纖維打印溫度273°；PLA層采用直線往返填充，長(zhǎng)纖碳纖維層采用“Z”字型填充路徑。將軟件生成的G代碼通過(guò)SD卡插入3D打印機(jī)中，打印實(shí)物如圖10所示。

圖9 碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印機(jī)

圖10 3D打印實(shí)物圖

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)FDM3D打印機(jī)無(wú)法打印碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印機(jī)。針對(duì)傳統(tǒng)3D打印切片處理過(guò)程無(wú)法定義每一層的材料信息的問(wèn)題，提出了雙材料分層打印算法，可在指定層打印長(zhǎng)纖碳纖維。針對(duì)長(zhǎng)纖碳纖維連續(xù)性特點(diǎn)，對(duì)長(zhǎng)纖碳纖維進(jìn)行連續(xù)性路徑規(guī)劃，可減少路徑跳轉(zhuǎn)點(diǎn)。分析了碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印機(jī)控制系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料雙噴頭3D打印機(jī)切片軟件，從而實(shí)現(xiàn)碳纖維長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印。