连续碳纤维复合材料选择性增强的3D打印切片方法研究

易雪涛，谭跃刚，王茂森，张 帆，周祖德

(武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)

3D打印技术具有成本低、生产率高、研发周期短和易于加工复杂模型的优点，被广泛应用于航天航空、汽车工业、军事、医疗等重要领域[1-2]。碳纤维材料具有质轻高强、高模量等特性[3]，将碳纤维材料与3D打印技术相结合，能同时发挥其材料特性和成型方式的优势，解决碳纤维材料成型工艺繁琐，难以制造复杂结构模型等问题[4]。利用碳纤维材料对高分子材料的三维成型过程进行选择性增强，既可以提高纯高分子材料成型件的成型性能，同时又降低了纯纤维材料的成型成本。切片处理是3D打印的前提，影响成型性能和成型质量[5]。因此，如何在切片处理过程中进行连续碳纤维长纤材料的选择性增强处理是本文研究的重点。

目前国内外学者对切片处理过程、纤维铺放路径以及多材料制备等做了大量的研究工作，文献[6]针对STL(stereolithography)文件中存在大量冗余数据以及三角面片间缺少拓扑信息而影响切片效率的问题，借助哈希表快速完成冗余顶点合并，使得切片效率提高50%；文献[7]提出了一种复合材料纤维铺放路径的生成算法，基于由芯模形心线得到的铺放参考线，设计具体的铺放路径；文献[8]通过实验表明，应用FDM(fused deposition modeling)工艺成型的CF(carbon fiber)/PLA(polylactic acid)复合材料相较于纯PLA材料和注塑PLA材料在拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度上都有较大提升；文献[9]通过溶液共混-热压法制备了碳纤维增强羟基磷灰石/聚乳酸三元复合生物材料，具有良好的力学性能，但是该方法未能让聚乳酸材料均匀分布在碳纤维材料表面，使得打印模型性能产生偏差；文献[10]提出了一种基于FDM的3D打印连续纤维增强热塑成型方法，将碳纤维材料与热塑树脂在被加热的喷头腔内浸润后从喷头挤出，避免了传统连续纤维复合材料成型过程的机械加工方法，但该方法难以将碳纤维和热塑树脂在加热喷头型腔中充分混合。

现有研究中，上述两种材料的混合方式通常为通过3D打印机挤出喷头熔融混合或者通过制成纤维树脂悬浊液的方式进行混合，但这两种混合方式均不能实现连续碳纤维材料对高分子材料的灵活选择插入的纤维增强效果，无法对打印模型的特定部分局部性能增强进行控制。国内外学者对切片处理流程的优化主要是为了提高切片效率和打印精度，对于实现连续碳纤维长纤选择性增强处理的切片方法还需要进一步研究。笔者从切片处理角度提出连续碳纤维选择性增强的3D打印处理算法，实现连续碳纤维材料和高分子材料的灵活选择，实现对高分子材料的性能增强。算法可以在双喷头打印过程中，以高分子材料作为打印主体，选择性的在层间插入一层或多层碳纤维材料，并可灵活控制高分子材料和碳纤维材料的工艺参数与成型路径，进一步提升碳纤维复合材料的应用范围。

1 算法原理

1.1 3D打印切片处理过程

将三维模型文件导入到切片软件中后，切片引擎会对该文件进行切片处理。切片引擎首先会在Z方向按照预先设置的层高对打印模型进行分层，获取模型分层轮廓信息集合并对该集合进行遍历处理；在每一个分层轮廓环中，切片引擎按照预先设置的填充方式、填充密度、填充角度、模型外壳厚度等工艺参数来对分层轮廓环进行路径规划处理；处理完成后依次生成相应的G代码；将G代码文件导入3D打印机控制系统进行模型的3D打印。切片处理过程如图1所示。笔者开发的碳纤维长纤选择性增强处理的3D打印切片算法在切片处理过程中的分层轮廓环的路径规划部分执行。

图1 切片处理过程

1.2 双喷头间的坐标变换

纤维对高分子材料的选择性增强，至少需要高分子材料喷头、碳纤维材料喷头两个喷头装置。图2为双喷头3D打印机示意图，假设T1为PLA材料打印喷头，T2为碳纤维材料打印喷头，两个喷头通过滑块连接在一起，每个喷头都以同种运动方式进行运动，每个喷头每次打印结束后便会回到打印零点。

图2 双喷头3D打印机示意图

多喷头3D打印机T1喷头运动时，当需要切换为T2喷头或者其他非T1喷头时，则T1喷头会移动到T′1位置，而使得要打印的T2喷头相应地移动到打印点A点，等价于在以T2喷头原点作为坐标系原点的坐标系中，T2喷头由T2原点位置移动到了打印点A点，存在打印机坐标系切换的相互关系问题。图3(a)为双喷头间在y方向无相对距离的理想情况，图3(b)为喷头安装存在误差时，双喷头间在y方向有相对距离的情况。

图3 打印机坐标系切换方式

以图3(b)为例，当T1喷头要打印A点时，A点坐标在T1坐标系的坐标为(X1，Y1)，T1喷头会直接从该喷头打印原点O移动至A点，T1喷头在X正方向和Y正方向移动距离分别为X1和Y1，T2喷头要打印A点时，T1喷头会从打印原点移动到T′1点，使得T2喷头的位置正好处于A点处，再用T2喷头进行打印，即完成T2喷头在A点打印的目的，等价于T2喷头在所在坐标系中由T2喷头原点处移动到了A点。而实际运动是由T1喷头执行的，此时假设T1喷头从T1打印原点O移动到T′1点时，在X正方向和Y正方向移动距离分别为X2,和Y2，则X1、X2、Y1和Y2之间存在式(1)和式(2)的关系：

X2=X1-∂x

(1)

Y2=Y1-∂y

(2)

其中:∂x和∂y分别表示T1喷头和T2喷头间X方向和Y方向的距离。每次T2喷头打印时，T1喷头在X正方向和Y正方向的实际运动距离均可以由式(1)和式(2)得到。由此在多喷头3D打印过程中，当非T1喷头如Tn打印具体点时，假设该具体点的坐标为(Xn，Yn)，∂n1x和∂n1y分别表示Tn喷头起始位置到T1喷头起始位置的X方向和Y方向的距离，T1喷头在X正方向和Y正方向的实际运动距离为X′n和Y′n,如式(3)和式(4)所示。

X′n=Xn-∂n1x

(3)

Y′n=Yn-∂n1y

(4)

3D打印机通过点坐标以及距离转化进行同轴多喷头的三维成型。

1.3 选择性增强的3D打印切片方法

在3D打印过程中，切换喷头打印的实质为切换材料打印，需要在3D打印过程加入切换喷头处理过程，充分发挥连续碳纤维材料对高分子材料的性能增强。其次，连续碳纤维和高分子材料为两种不同的材料，在3D打印过程中应该使用不同的填充方式、工艺参数对打印模型进行处理，满足不同打印材料的工艺要求。笔者设计碳纤维长纤选择性增强的3D打印切片处理方法，需要在3D打印切片处理过程中加入不同材料即层间喷头切换处理过程，能够具有选择性的设置各层打印材料，并可以针对不同打印材料灵活设置合适的路径与工艺参数，来满足上述功能需求。

根据以上需求，算法描述如下：

定义1：多喷头3D打印机喷头起始位置信息集S。如S=[(0,0),(63,3)],表示该打印机为双喷头打印机，T1喷头的打印三维起始点坐标为(0,0),T2喷头的打印三维起始点坐标为(63,3)。

定义2：连续碳纤维材料增强处理层区间集合P。设置需要进行连续碳纤维材料增强处理的层号信息，如P=[(1,4),(6,8)]，表示模型的第1层到第4层和第6层到第8层进行连续碳纤维材料增强处理。

定义3：分层信息集合R。由模型经过分层处理后得到的所有分层轮廓环信息集合。

定义4：单层的轮廓环信息集合E。由模型经过分层处理后单层的轮廓环信息集合。

分层轮廓环信息集合R和单层轮廓环信息集合E满足式(5)的关系：

R={Ej|j=1,2,3,…,J}

(5)

式中：J为模型切片的总层数；Ej为第j层的轮廓信息集合。

图4 算法流程图

算法流程如图4所示,其中算法输入内容为多喷头起始位置信息S和打印模型性能增强层区间集合P以及三维模型STL格式的数字化表征文件，利用3D打印切片引擎增强处理算法对其进行切片处理，输出内容为G代码文件。处理算法在三维模型分层处理结束后，对模型分层轮廓环进行路径规划处理阶段。

1.4 G代码文件内容

算法对STL格式打印模型切片处理结束后产生G代码文件，如图5所示。

图5 3D打印的G代码格式

G代码文件通过G0和G1指令来描述成型路径中的填充部分和移动部分，F指令用来描述打印喷头移动的速度，E指令用来描述打印喷头填充时的耗材挤出量，3D打印机会根据该文件中填充部分所显示的路径对模型内部进行填充打印处理。

假设PLA材料所在的喷头为T1喷头，碳纤维材料所在的喷头为T2喷头，首先根据打印模型形状和自适应增强需求合理设置连续碳纤维增强区间，以及设置多喷头起始点坐标集合，然后用上述算法的切片引擎对打印模型进行切片处理后生成G代码文件。多喷头打印机通过各喷头间的坐标关系来计算非T1喷头打印时T1喷头的实际运动位移，进而根据T1喷头的运动实现非T1喷头在具体点的打印。另一方面，在G代码文件中PLA材料层前会加入“T1”代码，3D打印机识别后会将T1喷头作为打印喷头，在G代码文件中在碳纤维材料层前会加入“T2”代码，3D打印机识别后会将T2喷头作为打印喷头，即使用碳纤维材料作为打印材料。

2 仿真分析

3D打印在线切片仿真系统中的切片参数设置和切片路径显示页面如图6和图7所示，在切片参数设置页面中上传标准长方体测试样件模型，模型是长为80 mm，宽为15 mm，高为5 mm的长方体，如图8(a)所示。

图6 切片参数设置页面

图7 切片路径显示页面

在图8(b)中，喷头数量设置为2，表明本次仿真试验的打印过程为双喷头打印过程，T1喷头材料默认为PLA材料，T2喷头材料默认为碳纤维材料，T1喷头打印层的填充方式设置为线性填充方式，T2喷头打印层的填充方式设置为螺旋偏置填充方式，喷头切换方式为以区间形式分区间切换喷头对模型进行打印处理，碳纤维材料打印区间设置为[(5,7),(14,16)],即表明在第5层到第7层以及第14层到第16层由碳纤维材料进行打印，其余层由PLA材料进行打印。

图8 测试模型和喷头测试参数

切片处理结束后，模型第5层、第8层、第14层的层间切片路径仿真图如图9所示。

图9 模型第5、8、14层的切片路径仿真图

图9(a)为模型切片处理后第5层的切片路径仿真图，由该图左半部分可知，该打印层为模型的第5层，打印材料为碳纤维材料，由该图右半部分可知，该层打印时的填充方式为螺旋偏置填充方式。同理知，图9(b)为模型切片处理后第8层的切片路径仿真图，该层打印材料为PLA材料，打印填充方式为线性填充方式。图9(c)为切片处理后第14层的切片路径仿真图，该层打印材料为碳纤维材料，打印填充方式为螺旋偏置填充方式。模型形状和打印路径如图10所示，深色层为使用碳纤维材料打印，使用螺旋偏置填充方式进行填充打印，浅灰色层为使用PLA材料进行打印，使用线性填充方式进行填充打印。从切片处理后的不同层图像信息验证了连续碳纤维选择性纤维增强的3D打印切片处理算法的正确性。

图10 模型三维软件仿真图

3 实验验证

图11为碳纤维双喷头3D打印机打印上述模型打印过程图，图中①处为碳纤维材料打印喷头，②为PLA材料打印喷头处。对碳纤维双喷头3D打印机打印的实物和纯PLA材料的单喷头打印机打印相同模型的实物用smartTest万能试验机测控系统进行非金属弯曲试验和拉伸试验，分别得到图12的压力-时间曲线图和图13的拉伸强度-时间曲线图。

图11 碳纤维双喷头打印机打印过程图

图12 两种打印模型压力-时间曲线图

图13 两种打印模型拉伸强度-时间曲线图

该模型的高度为5 mm，由于碳纤维复合材料打印层高设置为0.3 mm，PLA材料打印层高设置为0.2 mm，按照文中的3D打印在线切片系统中所示的切片参数设置后进行切片处理，该模型分为22层，其中碳纤维复合材料层为6层，体积占比为36%，由图12的试验数据计算可得，6层碳纤维材料增强后的3D打印模型的弯曲强度为163.13 MPa，纯PLA材料打印的实物模型的弯曲强度为90.66 MPa，相对后者增强了79.94%，由图13分析可知，6层碳纤维材料增强后的实物模型的拉伸强度为74.5 MPa，纯PLA材料打印的实物模型的拉伸强度为56.9 MPa，相对后者增强了31%。

4 结论

针对利用连续碳纤维复合材料对高分子材料3D打印过程中插入多个纤维层，进行选择性性能增强的切片处理方法问题，提出一种面向多喷头打印的连续碳纤维材料选择性分层插入算法，该算法能根据不同打印模型，以层为单位，按照单层、间隔层或者区间层等不同形式灵活设置增强材料所在的层间位置，以及不同材料3D打印的成型路径与工艺参数，从而实现模型性能的选择性增强。经过3D打印在线切片系统仿真以及实物打印性能测试表明，该算法实现了打印过程中多材料切换的可控性以及多工艺条件的可选择性。在碳纤维复合材料占模型体积比为36%的条件下，模型的弯曲性能和拉伸性能分别提高了79.94%和31%，为多喷头高效高精度3D打印系统实现打下基础。