本實(shí)用新型涉及增材制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可編程定向短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印裝置。

背景技術(shù)：

短纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料由于具有較高的強(qiáng)度、彈性模量、剛度以及抗蠕變性能，近年來得到廣泛應(yīng)用。一些學(xué)者經(jīng)過長期試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量、剛度等力學(xué)性能與纖維取向存在著定量關(guān)系。但在傳統(tǒng)的短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成型過程中，由于剪切流動(dòng)、模具型腔形狀及其它工藝參數(shù)的影響，纖維呈現(xiàn)三維隨機(jī)取向，進(jìn)而表現(xiàn)在制件的力學(xué)性能上具有各向同性。而實(shí)際工程環(huán)境中對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制件不同部位的力學(xué)性能要求是不同的，所以通過編程復(fù)合材料制件中短纖維的取向來實(shí)現(xiàn)制件力學(xué)性能的各向異性在工程領(lǐng)域具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是要解決上述傳統(tǒng)打印裝置打印的短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成型過程中，由于剪切流動(dòng)、模具型腔形狀及其它工藝參數(shù)的影響，纖維呈現(xiàn)三維隨機(jī)取向，進(jìn)而表現(xiàn)在制件的力學(xué)性能上具有各向同性，而實(shí)際工程環(huán)境中對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制件不同部位的力學(xué)性能要求是不同的問題，而提供一種可編程定向短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印方法及裝置。

本實(shí)用新型是由主機(jī)架、鋪料裝置、供料倉、成型倉、數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)、廢料箱、可控磁場(chǎng)系統(tǒng)和及控制器組成；

供料倉、成型倉和廢料箱分別固定設(shè)置在主機(jī)架中部，自左向右分別為供料倉、成型倉和廢料箱，鋪料裝置設(shè)置在供料倉上端，可在水平方向上自由移動(dòng)，數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)固定設(shè)置在主機(jī)架頂部，并位于成型倉正上方，控制器固定在機(jī)架底部，可控磁場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)置在廢料箱的右上方，磁場(chǎng)源在磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制下能夠?qū)崿F(xiàn)空間位置的自由移動(dòng)、水平面內(nèi)180°旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)；

鋪料裝置包括刮刀置架和刮刀，刮刀設(shè)置在刮刀置架上；

可控磁場(chǎng)系統(tǒng)包括磁場(chǎng)源和磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，磁場(chǎng)源設(shè)置在磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)上，在磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制下能夠?qū)崿F(xiàn)空間位置的自由移動(dòng)、水平面內(nèi)180°旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，可控磁場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)置在廢料箱的右上方；

所述磁場(chǎng)源為稀土磁鐵或通電螺線管；

本實(shí)用新型的打印方法如下：

步驟1：選取和混合打印材料；

打印材料的組成及其體積百分比如下：

基體(85-99vol.％)和纖維(1-15vol.％)；

所述基體為光敏樹脂，粘度為850-10000CPS；

所述纖維為鋼纖維或其它經(jīng)過磁化處理的碳纖維或玻璃纖維，長度為0.05-2mm，長徑比為2-10；

然后將基體和纖維分別倒入攪拌機(jī)內(nèi)，在常溫下進(jìn)行均勻攪拌，攪拌時(shí)間為20-30分鐘，然后將攪拌完打印材料進(jìn)行真空去氣泡處理，處理完成后，得到所需的打印材料；

步驟2：建立物體的三維模型，并進(jìn)行切片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理，生成STL格式，將此文件輸入3D打印機(jī)，運(yùn)用軟件分析生成鋪料系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)程序數(shù)據(jù)、數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)的圖片信息以及曝光時(shí)間和可控磁場(chǎng)系統(tǒng)的強(qiáng)弱特性和運(yùn)動(dòng)路徑；

步驟3：首先將打印材料裝入供料倉，并對(duì)供料倉和成型倉進(jìn)行調(diào)平；

步驟4：根據(jù)步驟2所得鋪料程序，供料倉上升1.2切片層厚度，成型倉下降一個(gè)切片層厚度，刮刀由左向右移動(dòng)，將打印材料均勻鋪設(shè)在成型倉內(nèi)，供料倉與成型倉均下降一個(gè)切片厚度，刮刀由右向左移動(dòng)至初始位置，供料倉與成型倉再上升一個(gè)切片厚度，即完成了一個(gè)切片層厚度材料的鋪設(shè)，其中切片層的厚度為0.1-3mm；

步驟5：根據(jù)步驟2所述可控磁場(chǎng)系統(tǒng)7的強(qiáng)弱特性和運(yùn)動(dòng)路徑，在步驟4鋪設(shè)完成的材料表面定向移動(dòng)磁場(chǎng)源對(duì)基體材料內(nèi)的磁性纖維進(jìn)行定向，磁場(chǎng)強(qiáng)弱的范圍為2500-5000Gs，磁場(chǎng)的移動(dòng)速度為5-50mm/s，磁場(chǎng)源距離成型材料的高度為9-40mm；

步驟6：根據(jù)步驟2所得數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)的圖片信息以及曝光時(shí)間，對(duì)步驟5中定向完成的短纖維復(fù)合材料進(jìn)行選擇性區(qū)域曝光固化，曝光時(shí)間為10-20s；

步驟7：若同一切片層內(nèi)不同區(qū)域纖維取向不同，重復(fù)步驟5-6，直到完成本層內(nèi)所有區(qū)域的纖維取向和固化；

步驟8：供料倉上升一個(gè)切片層厚度，成型倉下降一個(gè)切片層厚度，重復(fù)步驟4-7，進(jìn)行下一個(gè)切片層的成型，從而層層疊加成型三維實(shí)體；

步驟9：將成型制件從成型倉內(nèi)取出，利用酒精清洗掉多余的光敏樹脂，再將制品放入U(xiǎn)V燈室進(jìn)行固化后處理，時(shí)間為10-30分鐘。

本實(shí)用新型的有益效果：

1)、在3D打印成型復(fù)雜形狀制件的過程中調(diào)控磁場(chǎng)控制系統(tǒng)，對(duì)光敏樹脂內(nèi)磁性纖維進(jìn)行定向，最后運(yùn)用數(shù)字掩膜光固化技術(shù)進(jìn)行選域固化，層層疊加成型三維實(shí)體，不僅實(shí)現(xiàn)了具有復(fù)雜形狀的短纖維復(fù)合材料制件的直接成型，還突破傳統(tǒng)短纖維復(fù)合材料制造方法中纖維取向雜亂無章的局限性，使短纖維在基質(zhì)材料中的取向按照設(shè)計(jì)排列；

2)、此種成型方法不僅能實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)不同區(qū)域纖維取向的編程，還能通過調(diào)整光敏樹脂粘度和磁場(chǎng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)纖維與水平方向夾角的編程；

3)、可編程定向短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印方法實(shí)現(xiàn)了基體材料內(nèi)短纖維在三維空間的按設(shè)計(jì)的任意排列，使得材料的彈性模量、剛度等力學(xué)性能或其它性能更具設(shè)計(jì)性。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實(shí)用新型在打印過程中的簡(jiǎn)圖。

圖3是本實(shí)用新型平面內(nèi)纖維取向編程的圖解步驟流程圖。

圖4是本實(shí)用新型纖維與水平方向夾角編程的圖解步驟流程圖。

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例1中利用平面內(nèi)纖維方向編程的3D打印方法成型的短纖維復(fù)合材料三維制件示意圖。

圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例2中利用纖維與水平方向夾角編程的3D打印方法成型的短纖維復(fù)合材料三維制件示意圖。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖1、圖2、圖3和圖4所示，本實(shí)用新型是由主機(jī)架1、鋪料裝置2、供料倉3、成型倉4、數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)5、廢料箱6、可控磁場(chǎng)系統(tǒng)7和及控制器8組成；

供料倉3、成型倉4和廢料箱6分別固定設(shè)置在主機(jī)架1中部，自左向右分別為供料倉3、成型倉4和廢料箱6，鋪料裝置2設(shè)置在供料倉3上端，可在水平方向上自由移動(dòng)，數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)5固定設(shè)置在主機(jī)架1頂部，并位于成型倉4正上方，控制器8固定在機(jī)架1底部，可控磁場(chǎng)系統(tǒng)7設(shè)置在廢料箱6的右上方，磁場(chǎng)源71在磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)72的控制下能夠?qū)崿F(xiàn)空間位置的自由移動(dòng)、水平面內(nèi)180°旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)；

鋪料裝置2包括刮刀置架21和刮刀22，刮刀22設(shè)置在刮刀置架21上；

可控磁場(chǎng)系統(tǒng)7包括磁場(chǎng)源71和磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)72，磁場(chǎng)源71設(shè)置在磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)72上，在磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)72的控制下能夠?qū)崿F(xiàn)空間位置的自由移動(dòng)、水平面內(nèi)180°旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，可控磁場(chǎng)系統(tǒng)7設(shè)置在廢料箱6的右上方；

磁場(chǎng)源71為稀土磁鐵或通電螺線管。

本實(shí)用新型的打印方法如下：

具體實(shí)例1：

請(qǐng)參閱圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示，利用稀土磁鐵作為磁場(chǎng)源實(shí)現(xiàn)纖維方向可編程的短纖維復(fù)合材料的3D打印方法如下：

步驟1：選取和混合打印材料；

打印材料的組成及其體積百分比如下：

基體90vol.％和纖維10vol.％；

所述基體為光敏樹脂，粘度為8000CPS；

所述纖維為鋼纖維或其它經(jīng)過磁化處理的碳纖維或玻璃纖維，長度為1mm，長徑比為4；

然后將基體和纖維分別倒入攪拌機(jī)內(nèi)，在常溫下進(jìn)行均勻攪拌，攪拌時(shí)間為20分鐘，然后將攪拌完打印材料進(jìn)行真空去氣泡處理，處理完成后，得到所需的打印材料；

步驟2：建立物體的三維模型，并進(jìn)行切片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理，生成STL格式，將此文件輸入3D打印機(jī)，運(yùn)用軟件分析生成鋪料系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)程序數(shù)據(jù)、數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)的圖片信息以及曝光時(shí)間和可控磁場(chǎng)系統(tǒng)的強(qiáng)弱特性和運(yùn)動(dòng)路徑；

步驟3：首先將打印材料裝入供料倉，并對(duì)供料倉和成型倉進(jìn)行調(diào)平；

步驟4：根據(jù)步驟2所得鋪料程序，供料倉上升1.2切片層厚度，成型倉下降一個(gè)切片層厚度，刮刀由左向右移動(dòng)，將打印材料均勻鋪設(shè)在成型倉內(nèi)，供料倉與成型倉均下降一個(gè)切片厚度，刮刀由右向左移動(dòng)至初始位置，供料倉與成型倉再上升一個(gè)切片厚度，即完成了一個(gè)切片層厚度材料的鋪設(shè)，其中切片層的厚度為0.5mm；

步驟5：根據(jù)步驟2所得可控磁場(chǎng)系統(tǒng)的強(qiáng)弱特性和運(yùn)動(dòng)路徑，在步驟4鋪設(shè)完成的材料表面定向移動(dòng)磁場(chǎng)源對(duì)基體材料內(nèi)的磁性纖維進(jìn)行定向，磁場(chǎng)強(qiáng)弱的范圍為3000Gs，磁場(chǎng)的移動(dòng)速度為20mm/s，磁場(chǎng)源距離成型材料的高度為11mm；

步驟6：根據(jù)步驟2所得數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)的圖片信息以及曝光時(shí)間，對(duì)步驟中定向完成的短纖維復(fù)合材料進(jìn)行選擇性區(qū)域曝光固化，曝光時(shí)間為10s；

步驟7：若同一切片層內(nèi)不同區(qū)域纖維方向不同，重復(fù)步驟5-6，直到本層內(nèi)所有區(qū)域的纖維取向和固化完成；

步驟8：供料倉上升一個(gè)切片層厚度，成型倉下降一個(gè)切片層厚度，重復(fù)步驟4-7，進(jìn)行下一切片層的打印成型，從而層層疊加成型三維實(shí)體；

步驟9：將成型制件從成型倉內(nèi)取出，利用酒精清洗掉多余的光敏樹脂，再將制品放入U(xiǎn)V燈室進(jìn)行固化后處理，時(shí)間為10分鐘；

具體實(shí)例2：

請(qǐng)參閱圖1、圖2、圖3、圖4和圖6所示，利用通電螺線管作為磁場(chǎng)源實(shí)現(xiàn)纖維方向可編程的短纖維復(fù)合材料的3D打印方法如下：

步驟1：選取和混合打印材料；

打印材料的組成及其體積百分比如下：

基體95vol.％和纖維5vol.％；

所述基體為光敏樹脂，粘度為6000CPS；

所述纖維為鋼纖維或其它經(jīng)過磁化處理的碳纖維或玻璃纖維，長度為0.8mm，長徑比為5；

然后將基體和纖維分別倒入攪拌機(jī)內(nèi)，在常溫下進(jìn)行均勻攪拌，攪拌時(shí)間為25分鐘，然后將攪拌完打印材料進(jìn)行真空去氣泡處理，處理完成后，得到所需的打印材料；

步驟2：建立物體的三維模型，并進(jìn)行切片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理，生成STL格式，將此文件輸入3D打印機(jī)，運(yùn)用軟件分析生成鋪料系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)程序數(shù)據(jù)、數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)的圖片信息以及曝光時(shí)間和可控磁場(chǎng)系統(tǒng)的強(qiáng)弱特性和運(yùn)動(dòng)路徑；

步驟3：首先將打印材料裝入供料倉，并對(duì)供料倉和成型倉進(jìn)行調(diào)平；

步驟4：根據(jù)步驟2所得鋪料程序，供料倉上升1.2切片層厚度，成型倉下降一個(gè)切片層厚度，刮刀由左向右移動(dòng)，將打印材料均勻鋪設(shè)在成型倉內(nèi)，供料倉與成型倉均下降一個(gè)切片厚度，刮刀由右向左移動(dòng)至初始位置，供料倉與成型倉再上升一個(gè)切片厚度，即完成了一個(gè)切片層厚度材料的鋪設(shè)，其中切片層的厚度為1.5mm；

步驟5：根據(jù)步驟2所得可控磁場(chǎng)系統(tǒng)的強(qiáng)弱特性和運(yùn)動(dòng)路徑，在步驟4鋪設(shè)完成的材料表面定向移動(dòng)磁場(chǎng)源對(duì)基體材料內(nèi)的磁性纖維進(jìn)行定向，磁場(chǎng)強(qiáng)弱的范圍為2500Gs，磁場(chǎng)的移動(dòng)速度為5mm/s，磁場(chǎng)源距離成型材料的高度為10mm；

步驟6：根據(jù)步驟2所得數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)的圖片信息以及曝光時(shí)間，對(duì)步驟中定向完成的短纖維復(fù)合材料進(jìn)行選擇性區(qū)域曝光固化，曝光時(shí)間為20s；

步驟7：若同一切片層內(nèi)不同區(qū)域纖維角度不同，重復(fù)步驟5-6，直到本層內(nèi)所有區(qū)域的纖維取向和固化完成；

步驟8：供料倉上升一個(gè)切片層厚度，成型倉下降一個(gè)切片層厚度，重復(fù)步驟4-7，進(jìn)行下一切片層的打印成型，從而層層疊加成型三維實(shí)體；

步驟9：將成型制件從成型倉內(nèi)取出，利用酒精清洗掉多余的光敏樹脂，再將制品放入U(xiǎn)V燈室進(jìn)行固化后處理，時(shí)間為20分鐘。