碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印机设计

0 引言

碳纤维复合材料（CFRP）是碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合而成的结构材料，具有比强度高、比模量高、密度小、强度高、抗疲劳、抗震以及耐高温等特点[1]，广泛应用于航空、航天、国防军工、体育器材等多领域[2]，被称为国家战略性材料。碳纤维成型需要一系列复杂、繁琐的工艺，不仅需要精确的模具，还需要耗费大量的时间。碳纤维3D打印技术能够同时发挥材料特性与成型方式的优势，从打印原型过渡到功能性零部件的直接打印，大大拓展非金属材料3D打印工业应用的范围和深度[3～5]，解决碳纤维复合材料成型工艺繁琐、无法制造结构复杂零部件等问题[6]。用碳纤维复合材料3D打印机打印的零件强度非常高，强度-重量的比值甚至超过了6061-T6铝合金。

目前国内外学者对碳纤维3D打印的研究大多限于碳纤维短纤材料[7]，短纤碳纤维对改善零件力学性能的效果一般，长纤碳纤维能很好的改善零件的力学性能。美国的Markfroged公司生产的Mark Two 3D打印机能以Onyx材料（70%尼龙+30%短切碳纤维）为基体材料，长纤碳纤维为增强材料打印碳纤维复合材料。针对碳纤维长纤的3D打印，由于纤维的连续性特点，无法进行类似热塑性材料3D打印的灵活跳转，需要在成型过程中对跳转路径进行断点识别和切断处理，以适应复杂三维模型的成型[8]。

本文首先分析了碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印机工作原理，设计了FDM碳纤维长纤强复合材料双喷头3D打印机，分析碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印机控制系统。提出双材料分层打印算法，并研究了长纤碳纤维连续性路径规划算法，开发了碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印机切片软件。

1 双喷头3D打印机工作原理及结构设计

1.1 双喷头3D打印机工作原理

图1为碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印原理示意图，以FDM（熔融沉积成型法）方式打印。工作时，PLA作为基体材料，长纤碳纤维作为增强材料，两种材料打印形成碳纤维长纤增强复合材料。

图1 碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印原理示意图

首先在切片软件中定义长纤碳纤维层层号，长纤碳纤维作为增强材料加入到PLA材料层中。在即将打印长纤碳纤维层时，喷头会切换到长纤碳纤维喷头。同理，在即将打印PLA层时，喷头会切换到PLA喷头。主体材料是PLA，长纤碳纤维层一般只有几层。PLA在加热块中加热块中加热成熔融状态后从喷嘴中挤出，长纤碳纤维在加热块中不会融化，它会从喷嘴中挤出后铺放在已打印的PLA材料上作为增强材料。在切断点处用长纤碳纤维剪切机构将长纤碳纤维剪断，以保持长纤碳纤维成型路径的连续性。

长纤碳纤维喷嘴比PLA喷嘴高一点，避免长纤碳纤维喷嘴刮伤已打印好的零件表面。通过X、Y轴电机带动双喷头按照切片后的路径逐层打印，每打印完一层，Z轴电机带动打印平台下降一个层厚的距离，材料层层叠加，直到打印完整个零件。

1.2 碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印机结构设计

基于碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印机整机结构如图2所示。主要包括铝型材框架、X/Y/Z三个运动轴、传动机构、双喷头挤出机构、活动打印平台、皮带张紧机构、长纤碳纤维剪切机构。

图2 碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印机整机结构

3D打印机的框架采用欧标2020铝型材。X、Y轴电机带动喷头在X、Y平面上运动，将电机的旋转运动转化为喷头在直线导轨上的直线运动。Z轴采用丝杆传动，将丝杆的旋转运动转化为打印平台的上下运动。传动机构包括传动轴、同步轮、同步带、丝杆，用来传递X、Y、Z轴上的运动。双喷头挤出机构包括尼龙挤出机、长纤碳纤维挤出机、双喷头（PLA喷头、长纤碳纤维喷头），长纤碳纤维挤出机和PLA挤出机都安装在固定板上，采用远端送丝方式，这种方式相比于近端送丝方式可以减轻喷头的重量，3D打印机工作时不会出现明显的振动，可实现高速打印，提高打印精度和速度。

活动打印平台的优点是当零件打印完后，可以将打印平台取出，从而很方便的将零件从打印平台上取出。皮带张紧机构，该机构可以调整同步带的张力，从而能够实现快速张紧同步带。长纤碳纤维剪切机构由舵机和刀片组成，舵机带动刀片在路径跳转点把长纤碳纤维剪断，以保证长纤碳纤维成型路径的连续性。

2 双喷头3D打印机控制系统

控制系统可分为三个部分：上位机软件系统、下位机控制系统、机械执行系统。上位机软件系统的功能是将三维CAD软件生成的stl模型导入切片软件中，生成控制下位机控制系统的G代码。下位机控制系统控制相应的机械执行系统完成打印运动。控制主板执行上位机软件系统生成的G代码，通过X、Y、Z轴电机控制驱动X、Y、Z轴电机，完成成型运动；通过X、Y、Z轴限位控制，控制限位开关；通过剪切机构控制，完成碳纤维剪切运动。通过双喷头挤出控制，完成材料的进给运动；通过双喷头温度控制，完成双喷头加热；通过双喷头协调控制，完成双喷头协调运动。碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印控制系统如图3所示。

图3 碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印控制系统

选用的控制主板是UM2（Ultimaker2）主板，UM2主板能满足双喷头控制要求，预留扩展口可增加控制碳纤维剪切运动功能。由于长纤碳纤维连续性的特点，需要对碳纤维剪切运动进行控制，基于UM2（Ultimaker2）主板的拓展口功能，选择一组扩展I/O口来控制长纤碳纤维剪切机构。在纤维切断点处增加切断执行M代码，自定义长纤碳纤维剪切M代码功能，进行长纤碳纤维切断动作。

3 3D打印路径规划方法与切片软件设计

3.1 3D打印双材料分层打印算法及连续性路径规划

双喷头是整个打印机的核心，碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印机不同于双喷头混色3D打印机。第一，长纤碳纤维是作为增强材料加入到PLA材料层中的，如图4所示。打印模型经切片处理过程被切片分层，其中有几层是长纤碳纤维层，这与传统的3D打印有很大区别，传统3D打印对双材料切片处理无法定义每一层的材料信息。第二，长纤碳纤维由于其连续性的特点，在打印过程无法像热塑、热固性材料那样进行回抽，需要在其路径跳转点将其切断，以保证长纤碳纤维成型路径的连续性，与传统3D打印热固、热塑性材料可以灵活跳转有很大区别。为了减少路径跳转点，减少打印时间，需要对长纤碳纤维成型路径进行合理的规划。如何规划双材料插入的顺序、长纤碳纤维的成型路径是关键问题。

图4 碳纤维长纤增强复合材料

3.1.1 双材料分层打印算法

针对传统3D打印切片处理无法定义每一层的材料信息的问题，提出了双材料分层打印算法，如图5所示。该算法的思想为：首先载入stl模型，然后定义碳纤维增强层位置，就相当于在切片轮廓中定义了材料信息。对模型进行切片处理，得到每一层的切片轮廓，逐层提取切片轮廓，判断该层是否属于PLA层，若属于PLA层，则使用PLA路径规划算法，否则使用长纤碳纤维路径规划算法，逐层提取，直到提取完所有轮廓，得到模型路径规划信息。

图5 双材料分层打印算法流程图

3.1.2 长纤碳纤维连续性路径规划

由于长纤碳纤维连续性的特点，需要对其打印路径进行合理的规划，以保证长纤碳纤维成型路径的连续性。长纤碳纤维不同于热固、热塑性塑料，热固、热塑性塑料加热到指定温度后成熔融状态从喷嘴挤出。长纤碳纤维本质是碳，熔点很高，加热到指定温度融化不了，它是以纤维铺放的形式形成长纤碳纤维层。在长纤碳纤维铺放过程中，不可避免出现路径跳转点，为了保证长纤碳纤维的成型路径连续性，需要在路径跳转点用长纤碳纤维剪切机构将其剪断。

如图6所示为传统固定往返直线填充路径，在一层上存在大量路径跳转点，基本上没有连续路径，如红色椭圆圈所示。如图7所示为“Z”字型填充路径，一层上只有少数几个路径跳转点，如红色圆圈所示。由此可见，对长纤碳纤维填充路径采用“Z”字型路径填充算法，相比传统固定往返直线填充算法路径跳转点减少很多，可以提高打印速度。

图6 传统固定往返直线填充路径

图7 “Z”字型填充路径

3.2 切片软件设计

基于长纤碳纤维连续性及双喷头打印的特点，开发了碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印机切片软件，软件关键在于双材料分层打印算法及长纤碳纤维连续性路径规划。切片软件采用QT+VS2015软件平台，Window10操作系统开发。软件界面用QT编译实现，核心语言C++，在VS2015平台上编译实现。采用VTK库显示stl模型及切平面。切片软件功能模块包括：自定义参数模块、模型显示模块、机型设置模块、专业设置模块、G代码显示模块。如图8所示。

图8 碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印机切片软件

首先导入需要打印的stl模型，在界面上可以显示导入的stl模型、模型的法向量和顶点坐标信息。然后修改打印参数，打印参数有基本和高级两个选项框，参数修改完后，点击切片按钮生成G代码文本，在界面上也可以显示生成的G代码。可以查看切片后每一层的切面，显示打印时间。

4 打印验证

如图9所示为设计组装好的碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印机实物图，将三维CAD软件生成的stl模型导入碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印机切片软件中。设置初始层厚0.3mm，层厚0.2mm；PLA打印温度210°，长纤碳纤维打印温度273°；PLA层采用直线往返填充，长纤碳纤维层采用“Z”字型填充路径。将软件生成的G代码通过SD卡插入3D打印机中，打印实物如图10所示。

图9 碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印机

图10 3D打印实物图

5 结语

针对传统FDM3D打印机无法打印碳纤维长纤增强复合材料问题，本文设计了碳纤维长纤增强复合材料3D打印机。针对传统3D打印切片处理过程无法定义每一层的材料信息的问题，提出了双材料分层打印算法，可在指定层打印长纤碳纤维。针对长纤碳纤维连续性特点，对长纤碳纤维进行连续性路径规划，可减少路径跳转点。分析了碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印机控制系统，开发了碳纤维长纤增强复合材料双喷头3D打印机切片软件，从而实现碳纤维长纤增强复合材料3D打印。