液体基质中短纤维定向组装3D打印方法及装置与流程

本发明属于快速成型与数字制造领域，具体涉及一种在3D打印工艺液态基质中使短纤维定向组装的方法及装置。

背景技术：

生物材料通常是具有微结构的复合材料，其运用微结构设计，可以实现许多超越人造材料的特殊性能。而纤维是生物材料构建微结构的主要元素之一，通过对纤维几何参数、分布特性及其材料组分的设计，形成各种材料微结构，从而实现所需的材料性能，如螳螂虾的布利钢结构及正弦结构等。目前普遍采用在打印材料中加入纤维、微杆、薄片、碳纳米管及晶须等具有一定长径(宽)比的增强微粒子，在打印过程中采用剪切(摩擦)、磁场、声场及电场诱导的方式，使增强材料定向组装。所采用的3D打印成型技术包括：熔融沉积成型(FDM)、数字掩膜光固化(DLP)以及3D喷墨打印(3DP)等。

但以上诱导方案均存在其固有缺点。如，挤出剪切诱导只能在二维空间组装，且由于挤出打印是逐行成型，行与行之间存在间隙；DLP震荡诱导组装工艺的基质材料粘度不能太高；电磁诱导组装的粒子需要功能化(磁化)，液体基质材料粘度需保持低粘度；声场组装要求液体基质粘度较低等。

本发明的显著优点在于：1.可调控多个自由度，实现对短纤维材料的灵活组装。2.对纤维材料敏感度低，可以组装碳纤、玻纤、金属纤维及天然材料纤维；3.供粉、铺粉与定向过程重合，显著提高打印效率；4.可以打印高粘度甚至粉态基质。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种使液态基质中短纤维定向组装的方法及装置。在传统粉末床3D打印技术的基础上，在液体成型材料里加入短纤维材料制备成纤维增强浆料。该浆料置于上下开口的长方形料箱中，料箱的前后壁(长边)底部截面为V型，便于铺粉定向。料箱下面与打印装置基面接触，基面上设置有可上下移动的成型平台，铺料时当料箱经过成型平台时，原料依靠重力落下并被料箱后壁铺展在成型平台上。按照此方法，在供料、铺料同时，即可实现纤维的长程有序。且该料箱铺料方向及速度可调，利用其与纤维间的摩擦作用，便可使纤维定向组装。

如图1、图2、图3和图4所示，本发明主要部件包含主机架1、数字掩膜光固化系统2、控制系统3、成型平台4、料箱5。由步进电机带动滑块沿导轨运动，实现料箱X向与Y向运动；同时料箱可以由步进电机驱动绕Z轴转动；数字掩膜光固化系统2固定于主机架1的顶部，位于成型平台4正上方。

本发明之料箱的前后壁(长边)底部截面形状为V型，其两边与基面夹角为α和β，α＝30-60°，β＝30-60°。

本发明所用液态基质材料为光敏树脂，粘度选择范围为300-10000CPS(20℃)；短纤维材料可采用碳纤维、玻纤、金属纤维及天然纤维。纤维截面形状可为圆型、椭圆形及多边形，直径范围为5μm—500μm，长径比范围为10—200，纤维与液体基质比含量为0wt％—85wt％。

本发明中铺料过程参数对定向效果影响显著。铺料过程参数包括料仓沿X、Y轴移动的速度与加速度、绕Z轴旋转的速度与加速度以及铺料层厚。由于刮刀几何参数、铺粉厚度、铺粉速度及加速度可调，在定向的过程中，可通过优化以上参数，实现最理想的状态：纤维不产生平移，实现原地旋转定向。具体实施工艺步骤如下：

步骤1：材料的组成及料箱的选择。

选择纤维材料和液态基质材料，确定纤维含量；选择合适的料箱前后壁(长边)底部截面形状。

步骤2：运用3D建模软件(如SolidWorks)建立实体模型，导出STL文件至切片软件，经过该系统的数据分析，生成料箱5沿X、Y轴的移动及绕Z轴旋转的数据，成型平台4沿Z轴移动数据、数字掩膜光固化系统2的图片信息以及曝光时间t。

步骤3：对料箱5、成型平台4进行机械调零，并将预先混合均匀的浆料注入料箱5内，即图11所示。

步骤4：设定单层厚度，成型平台下降一个层厚，即图12所示。根部步骤2中得出的料箱5沿X、Y轴的移动及绕Z轴旋转的数据，料箱5以一定的速度沿着特定的路径行进，料箱后壁致使短纤维沿着特定的取向排布。

步骤5：根据步骤2所得数字掩膜光固化系统2的图片信息以及曝光时间t，对步骤4中单层材料进行选择性区域固化，曝光时间为5-10S，即图13所示。

步骤6：固化完成后，成型平台4下降一个层厚的高度，料箱5按第二层路径数据反向铺料，即图14所示。

步骤7:根据步骤2所得数字掩膜光固化系统2的图片信息以及曝光时间t，对步骤6中单层材料进行选择性区域固化，曝光时间为5-10S，即图15所示。

步骤8：重复步骤4—7，层层堆叠，即图16所示。

步骤9：将立体模型从成型平台4上取出，利用异丙酮溶液清洗多余的光敏树脂。再将制品放入UV灯室进行为时10min的固化后处理。

本发明的益处在于：

1.可调控多个自由度，实现对纤维材料的灵活组装，打印可编程短纤维增强复合材料；

2.由于采用机械诱导的简单方式，对纤维材料及基质材料敏感度低，纤维无需磁化处理等复杂工序，基质可为高粘度甚至粉态；

3.在供料、铺料的同时，实现了对纤维的编程，因此提高了打印效率，减少能耗，通用性更强。

附图说明

图1是本专利液体基质中短纤维定向组装3D打印装置的机构主视图。包含主机架1、数字掩膜光固化系统2、控制系统3、成型平台4、料箱5(其中料仓5内剖面区域为液态材料)。

图2是图1对应俯视图。

图3是图1中Ⅰ局部放大图，其中α为刮刀前角，β为刮刀后角，箭头表示铺粉方向。

图4是图1中Ⅱ局部放大图。

图5是本专利液体基质中短纤维定向组装3D打印装置的各个部件运动自由度示意图。

图6为使纤维沿x向定向示意图。

图7为使纤维y向定向示意图。

图8为使纤维沿某一特定角度定向示意图。

图9为使纤维沿着预编程角度定向示意图。

图10是本专利液体基质中短纤维定向组装3D打印装置示意图。其中黑色方框表示已固化区域，点状方框表示未固化区域；

图11、图12、图13、图14、图15和图16是本专利液体基质中短纤维定向组装3D打印方法铺料过程示意图。

图17是本专利液体基质中短纤维定向组装3D打印装置及方法中打印成型的螳螂虾钳部布利钢结构示意图，包含20层。

具体实施方式

本实施例中利用长径比l/d＝20的碳纤维，粘度为1000-1050CPS(25℃)的光敏树脂材料，打印自然界螳螂虾钳部的布利钢结构(该结构上下两层纤维间隔一定角度，呈周期性排列)。

步骤1：材料的组成及料箱的选择。

纤维材料：碳纤维(长径比l/d＝20，长度l为0.1mm)，截面形状为椭圆形。

基质材料：光敏树脂A(硬质相)：光敏树脂B(软质相)＝2:1；硅烷偶联剂：树脂材料＝0.5％。

纤维含量：5wt％。

料箱几何参数：料箱前后壁的后角β为30度，前角α为90度。

按照以上比例机械共混10min，超声分散2h，随后在真空干燥箱中2h脱除气泡。

步骤2：运用3D建模软件(如SolidWorks)建立实体模型，导出STL文件至切片软件，经过该系统的数据分析，生成料箱5沿X、Y轴的移动及绕Z轴旋转的数据，成型平台4沿Z轴移动数据、数字掩膜光固化系统2的图片信息以及曝光时间t。

步骤3：对料箱5、成型平台4进行机械调零，并将预先混合均匀的浆料注入料箱5内，即图11所示。

步骤4：设定单层厚度为0.6mm，控制系统3使成型平台4下降一个层厚，即图12所示。根部步骤2中得出的料箱5沿X、Y轴的移动及绕Z轴旋转的数据，料箱以10mm/s的速度沿着特定的路径行进，料箱后壁致使纤维沿着特定的取向排布。

步骤5：根据步骤2所得数字掩膜光固化系统2的图片信息以及曝光时间t，对步骤4中单层材料进行选择性区域固化，曝光时间为5S，即图13所示。

步骤6：固化完成后，成型平台4下降一个层厚的高度，料箱5按第二层路径数据反向铺料，即图14所示。

步骤7:根据步骤2所得数字掩膜光固化系统2的图片信息以及曝光时间t，对步骤6中单层材料进行选择性区域固化，曝光时间为5S，即图15所示

步骤8：重复步骤4—7，层层堆叠，即图16所示。重复20次，得到厚度为12mm的布利钢结构，即图17所示。

步骤9：将立体模型从成型平台取出，利用异丙醇清洗多余的光敏树脂。再将制品放入UV灯室进行为时10min的固化后处理。