一种面向复合材料稀疏结构的高效3D打印装置及方法

技术特征：
1.一种面向复合材料稀疏结构的高效3d打印装置，包括打印喷头，其特征在于：打印喷头采用双喷头结构，双喷头分别为复合材料打印喷头(1)和纯树脂打印喷头(2)，复合材料打印喷头(1)和纯树脂打印喷头(2)均固定连接在多自由度机械臂(24)上，并与高功率激光器(23)保持相对位置不变；复合材料打印喷头(1)和纯树脂打印喷头(2)均包括进给模块(3)、加热模块(4)、冷却模块(5)，复合材料或纯树脂通过进给模块(3)，进而进入加热模块(4)，在冷却模块(5)作用下实现复合材料稀疏结构高效3d打印。2.根据权利要求1所述的一种面向复合材料稀疏结构的高效3d打印装置，其特征在于：所述的复合材料打印喷头(1)还包括打印喷嘴(20)下方的纤维导向模块(9)，纤维导向模块(9)由一对热压辊(21)构成；所述的进给模块(3)包括树脂进给单元(12)、张力控制模块(14)，进给模块(3)均在外部固定，通过输送打印材料进入到加热模块(4)中；所述的加热模块(4)包括热熔单元(11)，热熔单元(11)底部连接打印喷嘴(20)，打印喷嘴(20)外侧缠绕加热电阻丝(18)，并且在加热电阻丝(18)外侧缠绕保温外壳(19)；所述的冷却模块(5)包括冷却风扇(10)，其固定在热熔单元(11)外围，并与打印喷嘴(20)保持相对位置不变。3.根据权利要求2所述的一种面向复合材料稀疏结构的高效3d打印装置，其特征在于：所述的复合材料稀疏结构以连续纤维复合单丝为基本材料单元进行模块化设计，复合材料稀疏结构由主体骨架(4-1)、填充网格(4-2)和支撑结构(4-3)组成，支撑结构(4-3)通过调整树脂挤出量进行不同刚度大小的支撑结构打印以满足其支撑节点的需要，支撑结构(4-3)上任意一点均能够实现与主体骨架(4-1)结合，通过激光器加热熔融形成一个坚固节点；主体骨架(4-1)起到整体稀疏结构的支撑作用，分为平行骨架与放射型骨架两种形式；填充网格(4-2)用于增加结构整体刚度与稳定性，填充网格(4-2)通过在相邻主体骨架线之间添加连接线形成，其网格大小通过结构参数进行调整。4.根据权利要求3所述的一种面向复合材料稀疏结构的高效3d打印装置，其特征在于：所述的连续纤维为芳纶纤维、聚乙烯纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维、尼龙纤维、陶瓷纤维、碳纤维、石墨纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维、金属纤维、石英纤维等中的一种或者多种。5.根据权利要求1所述的一种面向复合材料稀疏结构的高效3d打印装置，其特征在于：所述的纯树脂为pe-聚乙烯、pp-聚丙烯、pvc-聚氯乙烯、ps-聚苯乙烯、pa-聚酰胺、pom-聚甲醛、pc-聚碳酸酯、pa-尼龙、peek-聚醚醚酮中一种热塑性树脂材料。6.根据权利要求2所述的一种面向复合材料稀疏结构的高效3d打印装置，其特征在于：打印时，打印喷嘴(20)始终垂直于打印轨迹，同时多自由度机械臂(24)实现多角度打印避免已成型结构(22)与打印喷嘴(20)之间的干涉，并且通过打印路径的控制，保证结构受力方向与纤维方向的一致；同时将高功率激光器(23)、复合材料打印喷头(1)和纯树脂打印喷头(2)集成，通过激光对节点部分进行加热，实现节点部分的树脂熔融，进一步加强节点处的结合强度，快速实现节点的熔融，配合冷却风扇实现节点部分的快速冷却，实现复合材料稀疏结构高性能、简洁、高效制造。7.权利要求3所述的一种面向复合材料稀疏结构的高效3d打印装置的打印方法，其特征在于，包括以下步骤1)根据所需稀疏结构的应用场景、力学性能的要求，确定所打印结构的具体形状，并且将结构设计分为主体骨架(4-1)、填充结构(4-2)和支撑结构(4-3)，主体骨架(4-1)、填充结构(4-2)构成悬空稀疏结构；
2)将步骤1)设计的悬空稀疏结构与支撑结构(4-3)进行路径规划，通过matlab进行路径计算，并编写进给装置(3)和多自由度机械臂(24)的运动程序；3)按照步骤2)中所规划路径，首先进行支撑锚点(7)打印，通过纯树脂打印喷头(2)由进给模块(3)将树脂送入加热模块(4)中，随着熔池(17)中压力增大，树脂通过打印喷嘴(20)挤出，在冷却风扇(5)的作用下形成支撑锚点(7)；4)在支撑锚点(7)打印完成后，连续纤维(16)通过纤维控制模块进入熔池(17)中，与熔池中的熔融态树脂充分复合，并顺着打印喷嘴(20)挤出成型为复合材料单丝(8)，并且由热压辊(21)进行导向；5)在复合材料单丝(8)与支撑锚点(7)结合的地方，通过高能激光器(23)对两者接触的节点进行加热，使两部分的热塑性树脂达到玻璃态转变温度以上相互融合，实现节点的高性能连接，此时复合材料单丝(8)一端固定在支撑锚点(7)上，进行高速悬空拉丝打印；6)重复5)中通过激光加热熔融使节点结合的方式，完成主体骨架(4-1)打印，并与支撑结构(4-3)通过各个节点固定连接，在此基础上进行填充结构(4-2)的打印，最终实现复合材料稀疏结构打印。

技术总结
一种面向复合材料稀疏结构的高效3D打印装置及方法，包括打印喷头，打印喷头采用双喷头结构，双喷头分别为复合材料打印喷头和纯树脂打印喷头，复合材料打印喷头和纯树脂打印喷头均连接在多自由度机械臂上，并与高功率激光器保持相对位置不变；双喷头均包括进给模块、加热模块、冷却模块，复合材料或纯树脂经过进给模块、加热模块、冷却模块进入喷嘴实现复合材料稀疏结构高效3D打印；打印时，在连续纤维复合材料3D打印技术的基础上，进行悬空稀疏网状结构的打印，提高打印速度的同时实现空间结构的自由打印，满足空间网状结构在航空航天等领域应用的需求，制造出具有特殊性能的空间稀疏结构。疏结构。疏结构。


技术研发人员：田小永 张道康 刘腾飞
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.09.02
技术公布日：2022/11/11