本發(fā)明屬于快速成型與數(shù)字制造領(lǐng)域，具體涉及一種在3D打印工藝液態(tài)基質(zhì)中使短纖維定向組裝的方法及裝置。

背景技術(shù)：

生物材料通常是具有微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，其運用微結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以實現(xiàn)許多超越人造材料的特殊性能。而纖維是生物材料構(gòu)建微結(jié)構(gòu)的主要元素之一，通過對纖維幾何參數(shù)、分布特性及其材料組分的設(shè)計，形成各種材料微結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)所需的材料性能，如螳螂蝦的布利鋼結(jié)構(gòu)及正弦結(jié)構(gòu)等。目前普遍采用在打印材料中加入纖維、微桿、薄片、碳納米管及晶須等具有一定長徑(寬)比的增強微粒子，在打印過程中采用剪切(摩擦)、磁場、聲場及電場誘導(dǎo)的方式，使增強材料定向組裝。所采用的3D打印成型技術(shù)包括：熔融沉積成型(FDM)、數(shù)字掩膜光固化(DLP)以及3D噴墨打印(3DP)等。

但以上誘導(dǎo)方案均存在其固有缺點。如，擠出剪切誘導(dǎo)只能在二維空間組裝，且由于擠出打印是逐行成型，行與行之間存在間隙；DLP震蕩誘導(dǎo)組裝工藝的基質(zhì)材料粘度不能太高；電磁誘導(dǎo)組裝的粒子需要功能化(磁化)，液體基質(zhì)材料粘度需保持低粘度；聲場組裝要求液體基質(zhì)粘度較低等。

本發(fā)明的顯著優(yōu)點在于：1.可調(diào)控多個自由度，實現(xiàn)對短纖維材料的靈活組裝。2.對纖維材料敏感度低，可以組裝碳纖、玻纖、金屬纖維及天然材料纖維；3.供粉、鋪粉與定向過程重合，顯著提高打印效率；4.可以打印高粘度甚至粉態(tài)基質(zhì)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種使液態(tài)基質(zhì)中短纖維定向組裝的方法及裝置。在傳統(tǒng)粉末床3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，在液體成型材料里加入短纖維材料制備成纖維增強漿料。該漿料置于上下開口的長方形料箱中，料箱的前后壁(長邊)底部截面為V型，便于鋪粉定向。料箱下面與打印裝置基面接觸，基面上設(shè)置有可上下移動的成型平臺，鋪料時當料箱經(jīng)過成型平臺時，原料依靠重力落下并被料箱后壁鋪展在成型平臺上。按照此方法，在供料、鋪料同時，即可實現(xiàn)纖維的長程有序。且該料箱鋪料方向及速度可調(diào)，利用其與纖維間的摩擦作用，便可使纖維定向組裝。

如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明主要部件包含主機架1、數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)2、控制系統(tǒng)3、成型平臺4、料箱5。由步進電機帶動滑塊沿導(dǎo)軌運動，實現(xiàn)料箱X向與Y向運動；同時料箱可以由步進電機驅(qū)動繞Z軸轉(zhuǎn)動；數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)2固定于主機架1的頂部，位于成型平臺4正上方。

本發(fā)明之料箱的前后壁(長邊)底部截面形狀為V型，其兩邊與基面夾角為α和β，α＝30-60°，β＝30-60°。

本發(fā)明所用液態(tài)基質(zhì)材料為光敏樹脂，粘度選擇范圍為300-10000CPS(20℃)；短纖維材料可采用碳纖維、玻纖、金屬纖維及天然纖維。纖維截面形狀可為圓型、橢圓形及多邊形，直徑范圍為5μm—500μm，長徑比范圍為10—200，纖維與液體基質(zhì)比含量為0wt％—85wt％。

本發(fā)明中鋪料過程參數(shù)對定向效果影響顯著。鋪料過程參數(shù)包括料倉沿X、Y軸移動的速度與加速度、繞Z軸旋轉(zhuǎn)的速度與加速度以及鋪料層厚。由于刮刀幾何參數(shù)、鋪粉厚度、鋪粉速度及加速度可調(diào)，在定向的過程中，可通過優(yōu)化以上參數(shù)，實現(xiàn)最理想的狀態(tài)：纖維不產(chǎn)生平移，實現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)定向。具體實施工藝步驟如下：

步驟1：材料的組成及料箱的選擇。

選擇纖維材料和液態(tài)基質(zhì)材料，確定纖維含量；選擇合適的料箱前后壁(長邊)底部截面形狀。

步驟2：運用3D建模軟件(如SolidWorks)建立實體模型，導(dǎo)出STL文件至切片軟件，經(jīng)過該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，生成料箱5沿X、Y軸的移動及繞Z軸旋轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)，成型平臺4沿Z軸移動數(shù)據(jù)、數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)2的圖片信息以及曝光時間t。

步驟3：對料箱5、成型平臺4進行機械調(diào)零，并將預(yù)先混合均勻的漿料注入料箱5內(nèi)，即圖11所示。

步驟4：設(shè)定單層厚度，成型平臺下降一個層厚，即圖12所示。根部步驟2中得出的料箱5沿X、Y軸的移動及繞Z軸旋轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)，料箱5以一定的速度沿著特定的路徑行進，料箱后壁致使短纖維沿著特定的取向排布。

步驟5：根據(jù)步驟2所得數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)2的圖片信息以及曝光時間t，對步驟4中單層材料進行選擇性區(qū)域固化，曝光時間為5-10S，即圖13所示。

步驟6：固化完成后，成型平臺4下降一個層厚的高度，料箱5按第二層路徑數(shù)據(jù)反向鋪料，即圖14所示。

步驟7:根據(jù)步驟2所得數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)2的圖片信息以及曝光時間t，對步驟6中單層材料進行選擇性區(qū)域固化，曝光時間為5-10S，即圖15所示。

步驟8：重復(fù)步驟4—7，層層堆疊，即圖16所示。

步驟9：將立體模型從成型平臺4上取出，利用異丙酮溶液清洗多余的光敏樹脂。再將制品放入UV燈室進行為時10min的固化后處理。

本發(fā)明的益處在于：

1.可調(diào)控多個自由度，實現(xiàn)對纖維材料的靈活組裝，打印可編程短纖維增強復(fù)合材料；

2.由于采用機械誘導(dǎo)的簡單方式，對纖維材料及基質(zhì)材料敏感度低，纖維無需磁化處理等復(fù)雜工序，基質(zhì)可為高粘度甚至粉態(tài)；

3.在供料、鋪料的同時，實現(xiàn)了對纖維的編程，因此提高了打印效率，減少能耗，通用性更強。

附圖說明

圖1是本專利液體基質(zhì)中短纖維定向組裝3D打印裝置的機構(gòu)主視圖。包含主機架1、數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)2、控制系統(tǒng)3、成型平臺4、料箱5(其中料倉5內(nèi)剖面區(qū)域為液態(tài)材料)。

圖2是圖1對應(yīng)俯視圖。

圖3是圖1中Ⅰ局部放大圖，其中α為刮刀前角，β為刮刀后角，箭頭表示鋪粉方向。

圖4是圖1中Ⅱ局部放大圖。

圖5是本專利液體基質(zhì)中短纖維定向組裝3D打印裝置的各個部件運動自由度示意圖。

圖6為使纖維沿x向定向示意圖。

圖7為使纖維y向定向示意圖。

圖8為使纖維沿某一特定角度定向示意圖。

圖9為使纖維沿著預(yù)編程角度定向示意圖。

圖10是本專利液體基質(zhì)中短纖維定向組裝3D打印裝置示意圖。其中黑色方框表示已固化區(qū)域，點狀方框表示未固化區(qū)域；

圖11、圖12、圖13、圖14、圖15和圖16是本專利液體基質(zhì)中短纖維定向組裝3D打印方法鋪料過程示意圖。

圖17是本專利液體基質(zhì)中短纖維定向組裝3D打印裝置及方法中打印成型的螳螂蝦鉗部布利鋼結(jié)構(gòu)示意圖，包含20層。

具體實施方式

本實施例中利用長徑比l/d＝20的碳纖維，粘度為1000-1050CPS(25℃)的光敏樹脂材料，打印自然界螳螂蝦鉗部的布利鋼結(jié)構(gòu)(該結(jié)構(gòu)上下兩層纖維間隔一定角度，呈周期性排列)。

步驟1：材料的組成及料箱的選擇。

纖維材料：碳纖維(長徑比l/d＝20，長度l為0.1mm)，截面形狀為橢圓形。

基質(zhì)材料：光敏樹脂A(硬質(zhì)相)：光敏樹脂B(軟質(zhì)相)＝2:1；硅烷偶聯(lián)劑：樹脂材料＝0.5％。

纖維含量：5wt％。

料箱幾何參數(shù)：料箱前后壁的后角β為30度，前角α為90度。

按照以上比例機械共混10min，超聲分散2h，隨后在真空干燥箱中2h脫除氣泡。

步驟2：運用3D建模軟件(如SolidWorks)建立實體模型，導(dǎo)出STL文件至切片軟件，經(jīng)過該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，生成料箱5沿X、Y軸的移動及繞Z軸旋轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)，成型平臺4沿Z軸移動數(shù)據(jù)、數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)2的圖片信息以及曝光時間t。

步驟3：對料箱5、成型平臺4進行機械調(diào)零，并將預(yù)先混合均勻的漿料注入料箱5內(nèi)，即圖11所示。

步驟4：設(shè)定單層厚度為0.6mm，控制系統(tǒng)3使成型平臺4下降一個層厚，即圖12所示。根部步驟2中得出的料箱5沿X、Y軸的移動及繞Z軸旋轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)，料箱以10mm/s的速度沿著特定的路徑行進，料箱后壁致使纖維沿著特定的取向排布。

步驟5：根據(jù)步驟2所得數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)2的圖片信息以及曝光時間t，對步驟4中單層材料進行選擇性區(qū)域固化，曝光時間為5S，即圖13所示。

步驟6：固化完成后，成型平臺4下降一個層厚的高度，料箱5按第二層路徑數(shù)據(jù)反向鋪料，即圖14所示。

步驟7:根據(jù)步驟2所得數(shù)字掩膜光固化系統(tǒng)2的圖片信息以及曝光時間t，對步驟6中單層材料進行選擇性區(qū)域固化，曝光時間為5S，即圖15所示

步驟8：重復(fù)步驟4—7，層層堆疊，即圖16所示。重復(fù)20次，得到厚度為12mm的布利鋼結(jié)構(gòu)，即圖17所示。

步驟9：將立體模型從成型平臺取出，利用異丙醇清洗多余的光敏樹脂。再將制品放入UV燈室進行為時10min的固化后處理。