碳纖維長纖增強復合材料雙噴頭3D打印機設計

0 引言

碳纖維復合材料（CFRP）是碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合而成的結構材料，具有比強度高、比模量高、密度小、強度高、抗疲勞、抗震以及耐高溫等特點[1]，廣泛應用于航空、航天、國防軍工、體育器材等多領域[2]，被稱為國家戰略性材料。碳纖維成型需要一系列復雜、繁瑣的工藝，不僅需要精確的模具，還需要耗費大量的時間。碳纖維3D打印技術能夠同時發揮材料特性與成型方式的優勢，從打印原型過渡到功能性零部件的直接打印，大大拓展非金屬材料3D打印工業應用的范圍和深度[3～5]，解決碳纖維復合材料成型工藝繁瑣、無法制造結構復雜零部件等問題[6]。用碳纖維復合材料3D打印機打印的零件強度非常高，強度-重量的比值甚至超過了6061-T6鋁合金。

目前國內外學者對碳纖維3D打印的研究大多限于碳纖維短纖材料[7]，短纖碳纖維對改善零件力學性能的效果一般，長纖碳纖維能很好的改善零件的力學性能。美國的Markfroged公司生產的Mark Two 3D打印機能以Onyx材料（70%尼龍+30%短切碳纖維）為基體材料，長纖碳纖維為增強材料打印碳纖維復合材料。針對碳纖維長纖的3D打印，由于纖維的連續性特點，無法進行類似熱塑性材料3D打印的靈活跳轉，需要在成型過程中對跳轉路徑進行斷點識別和切斷處理，以適應復雜三維模型的成型[8]。

本文首先分析了碳纖維長纖增強復合材料雙噴頭3D打印機工作原理，設計了FDM碳纖維長纖強復合材料雙噴頭3D打印機，分析碳纖維長纖增強復合材料雙噴頭3D打印機控制系統。提出雙材料分層打印算法，并研究了長纖碳纖維連續性路徑規劃算法，開發了碳纖維長纖增強復合材料雙噴頭3D打印機切片軟件。

1 雙噴頭3D打印機工作原理及結構設計

1.1 雙噴頭3D打印機工作原理

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

圖1 碳纖維長纖增強復合材料雙噴頭3D打印原理示意圖

首先在切片軟件中定義長纖碳纖維層層號，長纖碳纖維作為增強材料加入到PLA材料層中。在即將打印長纖碳纖維層時，噴頭會切換到長纖碳纖維噴頭。同理，在即將打印PLA層時，噴頭會切換到PLA噴頭。主體材料是PLA，長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后從噴嘴中擠出，長纖碳纖維在加熱塊中不會融化，它會從噴嘴中擠出后鋪放在已打印的PLA材料上作為增強材料。在切斷點處用長纖碳纖維剪切機構將長纖碳纖維剪斷，以保持長纖碳纖維成型路徑的連續性。

長纖碳纖維噴嘴比PLA噴嘴高一點，避免長纖碳纖維噴嘴刮傷已打印好的零件表面。通過X、Y軸電機帶動雙噴頭按照切片后的路徑逐層打印，每打印完一層，Z軸電機帶動打印平臺下降一個層厚的距離，材料層層疊加，直到打印完整個零件。

1.2 碳纖維長纖增強復合材料雙噴頭3D打印機結構設計

基于碳纖維長纖增強復合材料雙噴頭3D打印機整機結構如圖2所示。主要包括鋁型材框架、X/Y/Z三個運動軸、傳動機構、雙噴頭擠出機構、活動打印平臺、皮帶張緊機構、長纖碳纖維剪切機構。

圖2 碳纖維長纖增強復合材料雙噴頭3D打印機整機結構

3D打印機的框架采用歐標2020鋁型材。X、Y軸電機帶動噴頭在X、Y平面上運動，將電機的旋轉運動轉化為噴頭在直線導軌上的直線運動。Z軸采用絲桿傳動，將絲桿的旋轉運動轉化為打印平臺的上下運動。傳動機構包括傳動軸、同步輪、同步帶、絲桿，用來傳遞X、Y、Z軸上的運動。雙噴頭擠出機構包括尼龍擠出機、長纖碳纖維擠出機、雙噴頭（PLA噴頭、長纖碳纖維噴頭），長纖碳纖維擠出機和PLA擠出機都安裝在固定板上，采用遠端送絲方式，這種方式相比于近端送絲方式可以減輕噴頭的重量，3D打印機工作時不會出現明顯的振動，可實現高速打印，提高打印精度和速度。

活動打印平臺的優點是當零件打印完后，可以將打印平臺取出，從而很方便的將零件從打印平臺上取出。皮帶張緊機構，該機構可以調整同步帶的張力，從而能夠實現快速張緊同步帶。長纖碳纖維剪切機構由舵機和刀片組成，舵機帶動刀片在路徑跳轉點把長纖碳纖維剪斷，以保證長纖碳纖維成型路徑的連續性。

2 雙噴頭3D打印機控制系統

控制系統可分為三個部分：上位機軟件系統、下位機控制系統、機械執行系統。上位機軟件系統的功能是將三維CAD軟件生成的stl模型導入切片軟件中，生成控制下位機控制系統的G代碼。下位機控制系統控制相應的機械執行系統完成打印運動。控制主板執行上位機軟件系統生成的G代碼，通過X、Y、Z軸電機控制驅動X、Y、Z軸電機，完成成型運動；通過X、Y、Z軸限位控制，控制限位開關；通過剪切機構控制，完成碳纖維剪切運動。通過雙噴頭擠出控制，完成材料的進給運動；通過雙噴頭溫度控制，完成雙噴頭加熱；通過雙噴頭協調控制，完成雙噴頭協調運動。碳纖維長纖增強復合材料雙噴頭3D打印控制系統如圖3所示。

圖3 碳纖維長纖增強復合材料雙噴頭3D打印控制系統

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，預留擴展口可增加控制碳纖維剪切運動功能。由于長纖碳纖維連續性的特點，需要對碳纖維剪切運動進行控制，基于UM2（Ultimaker2）主板的拓展口功能，選擇一組擴展I/O口來控制長纖碳纖維剪切機構。在纖維切斷點處增加切斷執行M代碼，自定義長纖碳纖維剪切M代碼功能，進行長纖碳纖維切斷動作。

3 3D打印路徑規劃方法與切片軟件設計

3.1 3D打印雙材料分層打印算法及連續性路徑規劃

雙噴頭是整個打印機的核心，碳纖維長纖增強復合材料雙噴頭3D打印機不同于雙噴頭混色3D打印機。第一，長纖碳纖維是作為增強材料加入到PLA材料層中的，如圖4所示。打印模型經切片處理過程被切片分層，其中有幾層是長纖碳纖維層，這與傳統的3D打印有很大區別，傳統3D打印對雙材料切片處理無法定義每一層的材料信息。第二，長纖碳纖維由于其連續性的特點，在打印過程無法像熱塑、熱固性材料那樣進行回抽，需要在其路徑跳轉點將其切斷，以保證長纖碳纖維成型路徑的連續性，與傳統3D打印熱固、熱塑性材料可以靈活跳轉有很大區別。為了減少路徑跳轉點，減少打印時間，需要對長纖碳纖維成型路徑進行合理的規劃。如何規劃雙材料插入的順序、長纖碳纖維的成型路徑是關鍵問題。

圖4 碳纖維長纖增強復合材料

3.1.1 雙材料分層打印算法

針對傳統3D打印切片處理無法定義每一層的材料信息的問題，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層位置，就相當于在切片輪廓中定義了材料信息。對模型進行切片處理，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路徑規劃算法，否則使用長纖碳纖維路徑規劃算法，逐層提取，直到提取完所有輪廓，得到模型路徑規劃信息。

圖5 雙材料分層打印算法流程圖

3.1.2 長纖碳纖維連續性路徑規劃

由于長纖碳纖維連續性的特點，需要對其打印路徑進行合理的規劃，以保證長纖碳纖維成型路徑的連續性。長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從噴嘴擠出。長纖碳纖維本質是碳，熔點很高，加熱到指定溫度融化不了，它是以纖維鋪放的形式形成長纖碳纖維層。在長纖碳纖維鋪放過程中，不可避免出現路徑跳轉點，為了保證長纖碳纖維的成型路徑連續性，需要在路徑跳轉點用長纖碳纖維剪切機構將其剪斷。

如圖6所示為傳統固定往返直線填充路徑，在一層上存在大量路徑跳轉點，基本上沒有連續路徑，如紅色橢圓圈所示。如圖7所示為“Z”字型填充路徑，一層上只有少數幾個路徑跳轉點，如紅色圓圈所示。由此可見，對長纖碳纖維填充路徑采用“Z”字型路徑填充算法，相比傳統固定往返直線填充算法路徑跳轉點減少很多，可以提高打印速度。

圖6 傳統固定往返直線填充路徑

圖7 “Z”字型填充路徑

3.2 切片軟件設計

基于長纖碳纖維連續性及雙噴頭打印的特點，開發了碳纖維長纖增強復合材料雙噴頭3D打印機切片軟件，軟件關鍵在于雙材料分層打印算法及長纖碳纖維連續性路徑規劃。切片軟件采用QT+VS2015軟件平臺，Window10操作系統開發。軟件界面用QT編譯實現，核心語言C++，在VS2015平臺上編譯實現。采用VTK庫顯示stl模型及切平面。切片軟件功能模塊包括：自定義參數模塊、模型顯示模塊、機型設置模塊、專業設置模塊、G代碼顯示模塊。如圖8所示。

圖8 碳纖維長纖增強復合材料雙噴頭3D打印機切片軟件

首先導入需要打印的stl模型，在界面上可以顯示導入的stl模型、模型的法向量和頂點坐標信息。然后修改打印參數，打印參數有基本和高級兩個選項框，參數修改完后，點擊切片按鈕生成G代碼文本，在界面上也可以顯示生成的G代碼。可以查看切片后每一層的切面，顯示打印時間。

4 打印驗證

如圖9所示為設計組裝好的碳纖維長纖增強復合材料雙噴頭3D打印機實物圖，將三維CAD軟件生成的stl模型導入碳纖維長纖增強復合材料雙噴頭3D打印機切片軟件中。設置初始層厚0.3mm，層厚0.2mm；PLA打印溫度210°，長纖碳纖維打印溫度273°；PLA層采用直線往返填充，長纖碳纖維層采用“Z”字型填充路徑。將軟件生成的G代碼通過SD卡插入3D打印機中，打印實物如圖10所示。

圖9 碳纖維長纖增強復合材料雙噴頭3D打印機

圖10 3D打印實物圖

5 結語

針對傳統FDM3D打印機無法打印碳纖維長纖增強復合材料問題，本文設計了碳纖維長纖增強復合材料3D打印機。針對傳統3D打印切片處理過程無法定義每一層的材料信息的問題，提出了雙材料分層打印算法，可在指定層打印長纖碳纖維。針對長纖碳纖維連續性特點，對長纖碳纖維進行連續性路徑規劃，可減少路徑跳轉點。分析了碳纖維長纖增強復合材料雙噴頭3D打印機控制系統，開發了碳纖維長纖增強復合材料雙噴頭3D打印機切片軟件，從而實現碳纖維長纖增強復合材料3D打印。