易雪濤，譚躍剛，王茂森，張 帆，周祖德

(武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070)

3D打印技術具有成本低、生產(chǎn)率高、研發(fā)周期短和易于加工復雜模型的優(yōu)點，被廣泛應用于航天航空、汽車工業(yè)、軍事、醫(yī)療等重要領域[1-2]。碳纖維材料具有質輕高強、高模量等特性[3]，將碳纖維材料與3D打印技術相結合，能同時發(fā)揮其材料特性和成型方式的優(yōu)勢，解決碳纖維材料成型工藝繁瑣，難以制造復雜結構模型等問題[4]。利用碳纖維材料對高分子材料的三維成型過程進行選擇性增強，既可以提高純高分子材料成型件的成型性能，同時又降低了純纖維材料的成型成本。切片處理是3D打印的前提，影響成型性能和成型質量[5]。因此，如何在切片處理過程中進行連續(xù)碳纖維長纖材料的選擇性增強處理是本文研究的重點。

目前國內外學者對切片處理過程、纖維鋪放路徑以及多材料制備等做了大量的研究工作，文獻[6]針對STL(stereolithography)文件中存在大量冗余數(shù)據(jù)以及三角面片間缺少拓撲信息而影響切片效率的問題，借助哈希表快速完成冗余頂點合并，使得切片效率提高50%；文獻[7]提出了一種復合材料纖維鋪放路徑的生成算法，基于由芯模形心線得到的鋪放參考線，設計具體的鋪放路徑；文獻[8]通過實驗表明，應用FDM(fused deposition modeling)工藝成型的CF(carbon fiber)/PLA(polylactic acid)復合材料相較于純PLA材料和注塑PLA材料在拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度、彎曲模量和沖擊強度上都有較大提升；文獻[9]通過溶液共混-熱壓法制備了碳纖維增強羥基磷灰石/聚乳酸三元復合生物材料，具有良好的力學性能，但是該方法未能讓聚乳酸材料均勻分布在碳纖維材料表面，使得打印模型性能產(chǎn)生偏差；文獻[10]提出了一種基于FDM的3D打印連續(xù)纖維增強熱塑成型方法，將碳纖維材料與熱塑樹脂在被加熱的噴頭腔內浸潤后從噴頭擠出，避免了傳統(tǒng)連續(xù)纖維復合材料成型過程的機械加工方法，但該方法難以將碳纖維和熱塑樹脂在加熱噴頭型腔中充分混合。

現(xiàn)有研究中，上述兩種材料的混合方式通常為通過3D打印機擠出噴頭熔融混合或者通過制成纖維樹脂懸濁液的方式進行混合，但這兩種混合方式均不能實現(xiàn)連續(xù)碳纖維材料對高分子材料的靈活選擇插入的纖維增強效果，無法對打印模型的特定部分局部性能增強進行控制。國內外學者對切片處理流程的優(yōu)化主要是為了提高切片效率和打印精度，對于實現(xiàn)連續(xù)碳纖維長纖選擇性增強處理的切片方法還需要進一步研究。筆者從切片處理角度提出連續(xù)碳纖維選擇性增強的3D打印處理算法，實現(xiàn)連續(xù)碳纖維材料和高分子材料的靈活選擇，實現(xiàn)對高分子材料的性能增強。算法可以在雙噴頭打印過程中，以高分子材料作為打印主體，選擇性的在層間插入一層或多層碳纖維材料，并可靈活控制高分子材料和碳纖維材料的工藝參數(shù)與成型路徑，進一步提升碳纖維復合材料的應用范圍。

1 算法原理

1.1 3D打印切片處理過程

將三維模型文件導入到切片軟件中后，切片引擎會對該文件進行切片處理。切片引擎首先會在Z方向按照預先設置的層高對打印模型進行分層，獲取模型分層輪廓信息集合并對該集合進行遍歷處理；在每一個分層輪廓環(huán)中，切片引擎按照預先設置的填充方式、填充密度、填充角度、模型外殼厚度等工藝參數(shù)來對分層輪廓環(huán)進行路徑規(guī)劃處理；處理完成后依次生成相應的G代碼；將G代碼文件導入3D打印機控制系統(tǒng)進行模型的3D打印。切片處理過程如圖1所示。筆者開發(fā)的碳纖維長纖選擇性增強處理的3D打印切片算法在切片處理過程中的分層輪廓環(huán)的路徑規(guī)劃部分執(zhí)行。

圖1 切片處理過程

1.2 雙噴頭間的坐標變換

纖維對高分子材料的選擇性增強，至少需要高分子材料噴頭、碳纖維材料噴頭兩個噴頭裝置。圖2為雙噴頭3D打印機示意圖，假設T1為PLA材料打印噴頭，T2為碳纖維材料打印噴頭，兩個噴頭通過滑塊連接在一起，每個噴頭都以同種運動方式進行運動，每個噴頭每次打印結束后便會回到打印零點。

圖2 雙噴頭3D打印機示意圖

多噴頭3D打印機T1噴頭運動時，當需要切換為T2噴頭或者其他非T1噴頭時，則T1噴頭會移動到T′1位置，而使得要打印的T2噴頭相應地移動到打印點A點，等價于在以T2噴頭原點作為坐標系原點的坐標系中，T2噴頭由T2原點位置移動到了打印點A點，存在打印機坐標系切換的相互關系問題。圖3(a)為雙噴頭間在y方向無相對距離的理想情況，圖3(b)為噴頭安裝存在誤差時，雙噴頭間在y方向有相對距離的情況。

圖3 打印機坐標系切換方式

以圖3(b)為例，當T1噴頭要打印A點時，A點坐標在T1坐標系的坐標為(X1，Y1)，T1噴頭會直接從該噴頭打印原點O移動至A點，T1噴頭在X正方向和Y正方向移動距離分別為X1和Y1，T2噴頭要打印A點時，T1噴頭會從打印原點移動到T′1點，使得T2噴頭的位置正好處于A點處，再用T2噴頭進行打印，即完成T2噴頭在A點打印的目的，等價于T2噴頭在所在坐標系中由T2噴頭原點處移動到了A點。而實際運動是由T1噴頭執(zhí)行的，此時假設T1噴頭從T1打印原點O移動到T′1點時，在X正方向和Y正方向移動距離分別為X2,和Y2，則X1、X2、Y1和Y2之間存在式(1)和式(2)的關系：

X2=X1-?x

(1)

Y2=Y1-?y

(2)

其中:?x和?y分別表示T1噴頭和T2噴頭間X方向和Y方向的距離。每次T2噴頭打印時，T1噴頭在X正方向和Y正方向的實際運動距離均可以由式(1)和式(2)得到。由此在多噴頭3D打印過程中，當非T1噴頭如Tn打印具體點時，假設該具體點的坐標為(Xn，Yn)，?n1x和?n1y分別表示Tn噴頭起始位置到T1噴頭起始位置的X方向和Y方向的距離，T1噴頭在X正方向和Y正方向的實際運動距離為X′n和Y′n,如式(3)和式(4)所示。

X′n=Xn-?n1x

(3)

Y′n=Yn-?n1y

(4)

3D打印機通過點坐標以及距離轉化進行同軸多噴頭的三維成型。

1.3 選擇性增強的3D打印切片方法

在3D打印過程中，切換噴頭打印的實質為切換材料打印，需要在3D打印過程加入切換噴頭處理過程，充分發(fā)揮連續(xù)碳纖維材料對高分子材料的性能增強。其次，連續(xù)碳纖維和高分子材料為兩種不同的材料，在3D打印過程中應該使用不同的填充方式、工藝參數(shù)對打印模型進行處理，滿足不同打印材料的工藝要求。筆者設計碳纖維長纖選擇性增強的3D打印切片處理方法，需要在3D打印切片處理過程中加入不同材料即層間噴頭切換處理過程，能夠具有選擇性的設置各層打印材料，并可以針對不同打印材料靈活設置合適的路徑與工藝參數(shù)，來滿足上述功能需求。

根據(jù)以上需求，算法描述如下：

定義1：多噴頭3D打印機噴頭起始位置信息集S。如S=[(0,0),(63,3)],表示該打印機為雙噴頭打印機，T1噴頭的打印三維起始點坐標為(0,0),T2噴頭的打印三維起始點坐標為(63,3)。

定義2：連續(xù)碳纖維材料增強處理層區(qū)間集合P。設置需要進行連續(xù)碳纖維材料增強處理的層號信息，如P=[(1,4),(6,8)]，表示模型的第1層到第4層和第6層到第8層進行連續(xù)碳纖維材料增強處理。

定義3：分層信息集合R。由模型經(jīng)過分層處理后得到的所有分層輪廓環(huán)信息集合。

定義4：單層的輪廓環(huán)信息集合E。由模型經(jīng)過分層處理后單層的輪廓環(huán)信息集合。

分層輪廓環(huán)信息集合R和單層輪廓環(huán)信息集合E滿足式(5)的關系：

R={Ej|j=1,2,3,…,J}

(5)

式中：J為模型切片的總層數(shù)；Ej為第j層的輪廓信息集合。

圖4 算法流程圖

算法流程如圖4所示,其中算法輸入內容為多噴頭起始位置信息S和打印模型性能增強層區(qū)間集合P以及三維模型STL格式的數(shù)字化表征文件，利用3D打印切片引擎增強處理算法對其進行切片處理，輸出內容為G代碼文件。處理算法在三維模型分層處理結束后，對模型分層輪廓環(huán)進行路徑規(guī)劃處理階段。

1.4 G代碼文件內容

算法對STL格式打印模型切片處理結束后產(chǎn)生G代碼文件，如圖5所示。

圖5 3D打印的G代碼格式

G代碼文件通過G0和G1指令來描述成型路徑中的填充部分和移動部分，F(xiàn)指令用來描述打印噴頭移動的速度，E指令用來描述打印噴頭填充時的耗材擠出量，3D打印機會根據(jù)該文件中填充部分所顯示的路徑對模型內部進行填充打印處理。

假設PLA材料所在的噴頭為T1噴頭，碳纖維材料所在的噴頭為T2噴頭，首先根據(jù)打印模型形狀和自適應增強需求合理設置連續(xù)碳纖維增強區(qū)間，以及設置多噴頭起始點坐標集合，然后用上述算法的切片引擎對打印模型進行切片處理后生成G代碼文件。多噴頭打印機通過各噴頭間的坐標關系來計算非T1噴頭打印時T1噴頭的實際運動位移，進而根據(jù)T1噴頭的運動實現(xiàn)非T1噴頭在具體點的打印。另一方面，在G代碼文件中PLA材料層前會加入“T1”代碼，3D打印機識別后會將T1噴頭作為打印噴頭，在G代碼文件中在碳纖維材料層前會加入“T2”代碼，3D打印機識別后會將T2噴頭作為打印噴頭，即使用碳纖維材料作為打印材料。

2 仿真分析

3D打印在線切片仿真系統(tǒng)中的切片參數(shù)設置和切片路徑顯示頁面如圖6和圖7所示，在切片參數(shù)設置頁面中上傳標準長方體測試樣件模型，模型是長為80 mm，寬為15 mm，高為5 mm的長方體，如圖8(a)所示。

圖6 切片參數(shù)設置頁面

圖7 切片路徑顯示頁面

在圖8(b)中，噴頭數(shù)量設置為2，表明本次仿真試驗的打印過程為雙噴頭打印過程，T1噴頭材料默認為PLA材料，T2噴頭材料默認為碳纖維材料，T1噴頭打印層的填充方式設置為線性填充方式，T2噴頭打印層的填充方式設置為螺旋偏置填充方式，噴頭切換方式為以區(qū)間形式分區(qū)間切換噴頭對模型進行打印處理，碳纖維材料打印區(qū)間設置為[(5,7),(14,16)],即表明在第5層到第7層以及第14層到第16層由碳纖維材料進行打印，其余層由PLA材料進行打印。

圖8 測試模型和噴頭測試參數(shù)

切片處理結束后，模型第5層、第8層、第14層的層間切片路徑仿真圖如圖9所示。

圖9 模型第5、8、14層的切片路徑仿真圖

圖9(a)為模型切片處理后第5層的切片路徑仿真圖，由該圖左半部分可知，該打印層為模型的第5層，打印材料為碳纖維材料，由該圖右半部分可知，該層打印時的填充方式為螺旋偏置填充方式。同理知，圖9(b)為模型切片處理后第8層的切片路徑仿真圖，該層打印材料為PLA材料，打印填充方式為線性填充方式。圖9(c)為切片處理后第14層的切片路徑仿真圖，該層打印材料為碳纖維材料，打印填充方式為螺旋偏置填充方式。模型形狀和打印路徑如圖10所示，深色層為使用碳纖維材料打印，使用螺旋偏置填充方式進行填充打印，淺灰色層為使用PLA材料進行打印，使用線性填充方式進行填充打印。從切片處理后的不同層圖像信息驗證了連續(xù)碳纖維選擇性纖維增強的3D打印切片處理算法的正確性。

圖10 模型三維軟件仿真圖

3 實驗驗證

圖11為碳纖維雙噴頭3D打印機打印上述模型打印過程圖，圖中①處為碳纖維材料打印噴頭，②為PLA材料打印噴頭處。對碳纖維雙噴頭3D打印機打印的實物和純PLA材料的單噴頭打印機打印相同模型的實物用smartTest萬能試驗機測控系統(tǒng)進行非金屬彎曲試驗和拉伸試驗，分別得到圖12的壓力-時間曲線圖和圖13的拉伸強度-時間曲線圖。

圖11 碳纖維雙噴頭打印機打印過程圖

圖12 兩種打印模型壓力-時間曲線圖

圖13 兩種打印模型拉伸強度-時間曲線圖

該模型的高度為5 mm，由于碳纖維復合材料打印層高設置為0.3 mm，PLA材料打印層高設置為0.2 mm，按照文中的3D打印在線切片系統(tǒng)中所示的切片參數(shù)設置后進行切片處理，該模型分為22層，其中碳纖維復合材料層為6層，體積占比為36%，由圖12的試驗數(shù)據(jù)計算可得，6層碳纖維材料增強后的3D打印模型的彎曲強度為163.13 MPa，純PLA材料打印的實物模型的彎曲強度為90.66 MPa，相對后者增強了79.94%，由圖13分析可知，6層碳纖維材料增強后的實物模型的拉伸強度為74.5 MPa，純PLA材料打印的實物模型的拉伸強度為56.9 MPa，相對后者增強了31%。

4 結論

針對利用連續(xù)碳纖維復合材料對高分子材料3D打印過程中插入多個纖維層，進行選擇性性能增強的切片處理方法問題，提出一種面向多噴頭打印的連續(xù)碳纖維材料選擇性分層插入算法，該算法能根據(jù)不同打印模型，以層為單位，按照單層、間隔層或者區(qū)間層等不同形式靈活設置增強材料所在的層間位置，以及不同材料3D打印的成型路徑與工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)模型性能的選擇性增強。經(jīng)過3D打印在線切片系統(tǒng)仿真以及實物打印性能測試表明，該算法實現(xiàn)了打印過程中多材料切換的可控性以及多工藝條件的可選擇性。在碳纖維復合材料占模型體積比為36%的條件下，模型的彎曲性能和拉伸性能分別提高了79.94%和31%，為多噴頭高效高精度3D打印系統(tǒng)實現(xiàn)打下基礎。