基于碳纖維成型工藝研究的智能碳纖維3D打印系統

FDM技術是3D打印應用最為廣泛的類型。論文充分結合碳纖維復合材料與3D打印技術的優勢，通過對以碳纖維材料為基礎的成型工藝的研究，形成集三維模型動態處理、打印過程動態監測、打印工藝動態調整、打印故障動態處理的智能3D打印系統。解決3D打印技術在成型性能、成型精度和系統智能性的問題，填補碳纖維3D打印工業應用的空白。

【關鍵詞】碳纖維 FDM 3D打印

碳纖維作為國家發展的戰略性材料，被稱為“新材料之王”，作為一種物理性能優異，能夠耐受高溫而不失強度，對一般的酸、堿有良好的耐腐蝕作用的材料，廣泛應用于航空、航天、國防軍工、體育器材等多領域。但傳統碳纖維產品的制造方式相當復雜，首先要把碳纖維織成碳纖維布，以此作為制造物品的原料。然后再在模具表面涂膠，層層附上碳纖維布，進行壓制、烘烤，才能成型。

本文針對現有非金屬材料3D打印在工業領域應用的不足，以3D打印技術和碳纖維復合材料為結合點，充分發揮二者在材料性能和成型方式的優勢，為3D打印的產品從簡單的展示性應用過渡到復雜的功能性應用提供新的方法具有重要應用價值。

1 3D打印技術選用

FDM是目前技術比較成熟的3D打印類型，具有打印設備成本低、打印設備和材料成本低、打印過程少污染等有點，故選用FDM3D打印技術進行碳纖維成型打印系統的研究。

2 產品技術

根據材料特性，整合三維模型切片處理系統、3D打印控制系統、傳感檢測系統等，研發工業級高效高精3D打印系統。采用3D打印方式代替傳統碳纖維長絲成型制造中編織、涂膠、鋪布、壓制、 成型等系列繁雜、低效的工藝流程。

2.1 硬件產品

2.1.1 碳纖維短纖材料制備裝置

用于碳纖維短纖材料與其他材料（PLA、ABS、環氧樹脂）的混合與制備，生產適合3D打印的碳纖維復合材料，并方便對材料性能進行測試。為研發碳纖維長纖復合材料的制定奠定基礎。如圖1所示。

2.1.2 碳纖維短纖3D打印機

打印機采用金屬框架結構及改進的噴頭，用來打印碳纖維短纖材料。機器安全文檔，打印精度高。具有以太網、Wi-Fi、觸摸屏等多種控制方式及攝像頭功能，能夠遠程監控。既利于3D打印網絡集群管理，又適合離線單機操作。為碳纖維長纖3D打印智能裝備提供基礎。

2.1.3 桌面型打印機

打印機整體機器結構簡潔緊湊，桌面面積占用小節省空間，打印機的緊固件由自身打印件組成，可實現機器部分自我復制。運動機構原理一目了然，具有易拆卸及組裝的特點，方便操作和學習，且價格低廉。

2.1.4 特色型打印機

巧克力3D打印機為多噴頭多材料的碳纖維3D打印裝備提供了基礎。通過攝像頭以及多傳感器對打印機狀態進行實時監測，增加了優化的三維模型處理功能，為碳纖維3D打印路徑規劃的研究提供了基礎。同時，設備特色鮮明，利于走進生活。如圖2所示。

2.1.5 三維掃描儀

三維掃描儀的研發為智能3D打印裝備而定在線監測提供基礎。掃描儀由2個激光頭和一個攝像頭組成，具有結構簡單，掃描速度快，成本低，使用方便等特點。采用自主研發的三維點云采集軟件導出ply格式文件，可與當今最主流的點云處理軟件Geomagic、MeshLAB等軟件兼容，方便用戶根據自己的需求處理點云模型。

2.2 軟件產品

2.2.1 控制系統

通過對核心控制算法的研究與多個分系統的集成，形成核心控制系統。并在此基礎上，進行針對3D打印系統的實時操作系統的研發，為3D打印設備的研發提供基礎。

2.2.2 三維模型路徑規劃系統

模型切片處理是3D打印的前提。對不同打印對象規劃不同的合理的打印路徑，同時提供針對混合材料的數字化表達模型，是碳纖維復合材料3D打印的三維模型處理的基礎。

2.2.3 模型預處理與模型檢測系統

能夠為3D打印對象提供有效的3D打印合理性分析與模型修復機制，是提高工業用3D打印穩定性與智能型的基礎。

2.3 碳纖維短纖3D打印材料

如圖3所示。

2.4 衍生服務

主要包括3D打印產品打樣加工等。（如圖4所示）

3 總結

碳纖維材料由于其高強度、低密度的特性，被廣泛應用于航空航天、軍工等高端制造領域。本項目以智能碳纖維3D打印機、碳纖維3D打印材料為產品，與行業應用緊密結合，形成集“新型碳纖維3D打印材料--碳纖維3D打印設備--3D打印服務“為一體的應用。

主要優點為：

（1）用新型碳纖維材料代替傳統材料，提升3D打印產品的性能。

（2）研發碳纖維材料智能3D打印裝備，解決碳纖維長纖打印一體成型問題。

（3）提升3D打印的精度、質量，滿足零部件對材料性能、精度、質量的要求。

（4）集智能物聯、傳感監測、智能診斷、動態工藝為一體，提升系統智能性。

（5）3D打印新型制造模式，為制造業轉型升級提供服務。

參考文獻

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作者簡介

章橋新，武漢理工大學機電工程學院教授。

李飛鴻，湖北省人。武漢理工大學工業工程專業本科生。

作者單位

武漢理工大學 湖北省武漢市 430070