鄭東昊 楊立寧 劉利劍 楊光 劉袁祿

摘 要：為了解決3D打印噴頭在成形過程中需要頻繁抬起和跳轉(zhuǎn)的問題，研制一種具有復(fù)合絲材可控導(dǎo)入、高效熔融擠出及實時剪切功能的新型3D打印噴頭。首先，基于結(jié)構(gòu)原理和功能分析方法，對噴頭進行分模塊化設(shè)計;然后，對噴頭剪切裝置控制系統(tǒng)及其控制流程進行設(shè)計和分析;最后，采用所研制的3D打印噴頭實物進行連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料預(yù)浸絲的熔融擠出及剪切試驗。結(jié)果表明，采用所設(shè)計的噴頭結(jié)構(gòu)以及程序控制方法，可以實現(xiàn)剪絲刀片在噴嘴末端對于復(fù)合材料的有效剪切，剪切斷口平整，驗證了所研制的新型復(fù)合材料3D打印噴頭的可靠性和實用性。所提方法可有效避免噴頭在抬起和跳轉(zhuǎn)運動過程中引發(fā)的問題，為連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料3D打印噴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其運動控制提供了參考。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計原理與方法;3D打印;噴頭;連續(xù)碳纖維;復(fù)合材料

中圖分類號：TH164?? 文獻標(biāo)識碼：A

doi：10.7535/hbkd.2021yx06008

Design of three-dimensional printing nozzle of continuous carbon fiber reinforced composite

ZHENG Donghao1，YANG Lining1，LIU Lijian1，YANG Guang1，LIU Yuanlu2

（1.School of Mechanical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;2.Hebei Zhiqu Technology Company Limited，Shijiazhuang，Hebei 050018，China）

Abstract：Aiming at the process characteristics of frequent lifting and jumping of three-dimensional printing nozzle in the forming process，a new three-dimensional printing nozzle with the functions of controllable introduction of composite wire，efficient melt extrusion and real-time shearing was developed.Firstly，based on the method of structure principle and the function realization analysis，the modular design of the nozzle was carried out.Then，the control system and its control flow of the nozzle shearing device were designed and analyzed.Finally，the melting extrusion and clipping test of pre-impregnated continuous carbon fiber reinforced composite wire were performed by using the developed three-dimensional print nozzle.The experimental results show that by using the nozzle structure and program control method，the composite material can be effectively cut by the wire cutting blade at the end of the nozzle，and the clipping fracture was smooth，which verifies the reliability and practicality of the new developed three-dimensional printing nozzle.The provided method can effectively avoid the problems caused by the lifting and jumping of the nozzle，which provides useful reference and method basis for the structural design and motion control of continuous carbon fiber reinforced composite three-dimensional printing nozzle.

Keywords：

mechanical design principle and method;three-dimensional printing;nozzle;continuous carbon fiber;composite material

連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料具有高比強度、高耐磨性、低密度、耐腐蝕、抗疲勞等性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工、汽車制造等領(lǐng)域[1]。但是，現(xiàn)有連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料的制備工藝主要以擴散粘結(jié)法[2]、粉末冶金法[3]、熔融浸潤法[4]、擠壓鑄造法[5]、真空壓力浸滲法[6]、無壓浸滲法[7]等為主，這些工藝方法大多需要高溫、高壓、氣氛保護等環(huán)境，不僅工藝流程復(fù)雜、制備成本高，還易導(dǎo)致碳纖維增強相和基體之間發(fā)生界面反應(yīng)，使得碳纖維受損，生成較脆的化合物，嚴(yán)重?fù)p害復(fù)合材料的機械性能。3D打印是一種利用三維設(shè)計數(shù)據(jù)在快速成形設(shè)備上高效而精確地制造出任意復(fù)雜形狀零件的高效率、柔性化制造技術(shù)[8-11]。近年來，采用3D打印技術(shù)實現(xiàn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料零部件的直接制造成為國內(nèi)外研究熱點[12-20]，該項成形技術(shù)不僅可以達到復(fù)合材料零部件由設(shè)計到成型的一體化，還可以實現(xiàn)成型過程中的精確控形控性，既縮短了零部件的制造流程，降低了成本，也滿足了成型質(zhì)量要求，因此相比傳統(tǒng)工藝方法具有顯著優(yōu)勢。同時，在連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料3D打印噴頭設(shè)計與開發(fā)方面，國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)和研究機構(gòu)也開展了較多研究工作。其中，美國Mark Forged公司開發(fā)出了系列化復(fù)合材料3D打印設(shè)備，其打印噴頭內(nèi)部設(shè)計了剪切機構(gòu)，打印過程中可在接近噴嘴末端位置實現(xiàn)對于復(fù)合材料的實時剪斷。西安交通大學(xué)田小永等在所申請的發(fā)明專利“一種連續(xù)長纖維增強復(fù)合材料3D打印機及其打印方法”中，提出了基于近噴嘴端剪切方式的復(fù)合材料3D噴頭設(shè)計[21]。武漢理工大學(xué)馬國鋒針對復(fù)合材料3D打印過程中的路徑跳轉(zhuǎn)處理需求，選擇遠端剪切處理方式，設(shè)計了剪切機構(gòu)以及打印噴頭，并研究了成型系統(tǒng)與剪切系統(tǒng)的協(xié)調(diào)關(guān)系[22]。本文基于連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料3D打印工藝特點，研制出一種具有復(fù)合絲材實時剪切功能的新型3D打印噴頭，并進行了實際功能應(yīng)用驗證，該噴頭可以實現(xiàn)3D打印過程中對于復(fù)合材料絲材的實時可控剪斷，從而避免噴頭在抬起和跳轉(zhuǎn)運動過程中連續(xù)纖維由噴頭中被拉出，影響成形過程連續(xù)性和穩(wěn)定性的問題，為連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料3D打印工藝的進一步研究提供條件參考。

1 復(fù)合材料3D打印噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料3D打印噴頭結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。預(yù)先浸漬好的連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料絲材在送絲對輪的驅(qū)動作用下被送入絲材導(dǎo)管中;絲材導(dǎo)管下端安裝有加熱塊，加熱塊的熱量傳遞給導(dǎo)管內(nèi)的絲材，并使絲材中的基體材料（樹脂或金屬）高效熔化;熔融態(tài)基體與連續(xù)碳纖維的混合材料在上端絲材的推動力作用下由導(dǎo)管末端噴嘴處被擠出并沉積于基板表面;噴嘴末端旁側(cè)安裝有切刀，在噴頭需要抬起或跳轉(zhuǎn)時將連續(xù)碳纖維切斷，避免被拉出而影響成形過程。

連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料3D打印噴頭應(yīng)具有的主要功能為預(yù)浸絲的導(dǎo)入、加熱熔化、可控擠出，以及復(fù)合絲材的實時剪切，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中還應(yīng)考慮各部分之間的連接和固定。

在復(fù)合材料3D打印噴頭研制過程中，對于復(fù)合絲材實時剪切機構(gòu)的設(shè)計十分關(guān)鍵，通常采用的打印噴嘴直徑約為1 mm，同時要求剪切機構(gòu)在1 s內(nèi)能夠完成對于復(fù)合絲材的剪切動作，因此本文所設(shè)計剪切機構(gòu)的剪切速度需大于1 mm/s。

如圖2 a）所示，噴頭的送絲及熔融擠出機構(gòu)主要由送絲對輪、連接管、加熱塊、噴嘴、散熱風(fēng)扇、散熱片，以及將這些零部件連接和固定起來的零件等組成。該機構(gòu)主要用于實現(xiàn)連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料預(yù)浸絲的輸送及其加熱、擠出。連接管采用較小直徑的金屬管，可以有效降低加熱塊熱量沿絲材導(dǎo)管向上傳導(dǎo)，保證未熔化絲材具有足夠的抗彎模量，以傳遞軸向活塞推動力。散熱風(fēng)扇和散熱片的設(shè)計也起到相同的作用。

如圖2 b）所示，噴頭的復(fù)合絲材剪切機構(gòu)主要由電機、絲杠、光杠、剪絲刀片、連接模塊、運動模塊等組成。該機構(gòu)主要用于完成在噴頭抬起或跳轉(zhuǎn)時的絲材剪斷動作。在剪切過程中，電機通過絲杠傳動，帶動固定于運動模塊上的剪絲刀片左右移動，刀片前部與噴嘴末端緊密貼合，因此刀片在移動過程中可以實現(xiàn)對于噴嘴末端復(fù)合材料的剪切。光杠用于運動模塊在移動時的導(dǎo)向，連接模塊用于剪切機構(gòu)各零部件之間的連接和固定。根據(jù)噴頭剪切速度參數(shù)要求，所選電機在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速n=120 r/min，選用絲杠的導(dǎo)程s=1 mm/r，則在額定功率下運轉(zhuǎn)時，可帶動剪切刀片在水平方向上的運動速度v= ns=120 r/min×1 mm/r=120 mm/min=2 mm/s，該參數(shù)滿足剪切機構(gòu)的設(shè)計和使用要求。

如圖2 c）所示，噴頭的連接固定平臺機構(gòu)主要由電機、絲杠、光杠、剪絲刀片、連接模塊、運動模塊等組成。該機構(gòu)主要用于將送絲及熔融擠出機構(gòu)與復(fù)合絲材剪切機構(gòu)連接并固定在一起，同時實現(xiàn)復(fù)合絲材剪切機構(gòu)的上下運動。

圖2 d）所示為所設(shè)計噴頭的整體結(jié)構(gòu)，是由連接固定平臺機構(gòu)將送絲及熔融擠出機構(gòu)和剪切機構(gòu)連接并固定在一起所構(gòu)成，該噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計在滿足使用功能的前提下，也實現(xiàn)了較好的集成性。

噴頭剪絲動作示意圖見圖3。

在連接固定平臺機構(gòu)運行過程中，電機通過絲杠傳動，帶動運動模塊上下移動，而剪切機構(gòu)則固定于運動模塊上。在需要剪切動作時，電機驅(qū)動運動模塊向下移動，使得剪絲刀片前部與噴嘴末端平行，如圖3 a）所示，然后剪絲刀片向左運動完成剪切動作，如圖3 b）所示。當(dāng)剪切動作結(jié)束后，剪絲刀片向右移動，然后電機驅(qū)動運動模塊向上移動，剪絲刀片回到初始位置，這樣可以避免打印過程中刀片與已成型表面發(fā)生相互碰撞。

2 噴頭剪切裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

所設(shè)計的連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料3D打印噴頭剪切裝置控制系統(tǒng)主要控制功能包括剪切電壓信號的監(jiān)測、適用于噴頭電機驅(qū)動的繼電器控制、限位傳感器信號的監(jiān)測等，控制流程如圖4所示。

首先，分析驅(qū)動3D打印機完成路徑掃描的G代碼程序，并在噴頭抬起和跳轉(zhuǎn)的代碼前添加剪切裝置激發(fā)程序，生成新的G代碼。在打印過程中，當(dāng)G代碼運行到剪切裝置激發(fā)程序段時，將由3D打印機向剪切裝置控制系統(tǒng)發(fā)送一個大于4 V的電壓信號。然后由電壓監(jiān)測模塊對此信號進行監(jiān)測，由串口監(jiān)視器讀取和輸出該電壓值，再由Arduino單片機判斷該電壓值是否大于4 V，若電壓值大于4 V，則為剪切動作激發(fā)信號。此時，剪切裝置在單片機的控制下，按照設(shè)定的順序完成整個剪切動作。

第1步，繼電器1#和繼電器2#閉合，復(fù)合絲材剪切機構(gòu)的電機驅(qū)動其運動模塊向右移動，當(dāng)觸發(fā)限位開關(guān)1時，繼電器1#和繼電器2#斷開，運動模塊停止移動，完成退刀動作。然后繼電器3#和繼電器4#閉合，連接固定平臺機構(gòu)的電機驅(qū)動其運動模塊向上移動，當(dāng)觸發(fā)限位開關(guān)2時，繼電器3#和繼電器4#斷開，運動模塊停止移動，完成刀片復(fù)位。

第2步，繼電器5#和繼電器6#閉合，連接固定平臺機構(gòu)的電機驅(qū)動其運動模塊向下移動，當(dāng)觸發(fā)限位開關(guān)3時，繼電器5#和繼電器6#斷開，運動模塊停止移動，完成刀片下移動作。

第3步，繼電器7#和繼電器8#閉合，復(fù)合絲材剪切機構(gòu)的電機驅(qū)動其運動模塊向左移動，當(dāng)觸發(fā)限位開關(guān)4時，繼電器7#和繼電器8#斷開，運動模塊停止移動，完成刀片左移剪切動作。

第4步重復(fù)第1步動作，完成刀片復(fù)位，此時整個剪切動作結(jié)束。

3 噴頭實際功能應(yīng)用驗證

基于連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料3D打印噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及噴頭剪切裝置控制系統(tǒng)設(shè)計，本文進行了噴頭實物的研制，并搭建完成了復(fù)合材料3D打印試驗平臺，采用該試驗平臺進行直徑為1 mm連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料預(yù)浸絲的熔融擠出打印及剪切試驗，打印參數(shù)如表1所示，噴頭實物照片見圖5。

試驗過程設(shè)計了長度為10 cm的單道打印路徑，在掃描路徑程序最后添加了剪切裝置激發(fā)程序，以驅(qū)動剪切機構(gòu)對于復(fù)合絲材的剪斷。圖6所示為實際剪切過程及剪切效果。由圖6可以看出：1）單道打印路徑質(zhì)量較好，且連續(xù)碳纖維均勻分布于路徑中央，并與基體材料形成了良好復(fù)合;2）剪絲刀片在噴嘴末端實現(xiàn)了對復(fù)合材料的有效剪切，且剪切斷口平整，證明本文所研制的新型復(fù)合材料3D打印噴頭具有較好的可靠性和實用性。

4 結(jié) 論

1）基于對連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料3D打印噴頭結(jié)構(gòu)原理的分析，確定了噴頭的主要功能，并將噴頭結(jié)構(gòu)分解為送絲及熔融擠出機構(gòu)、復(fù)合絲材剪切機構(gòu)、連接固定平臺機構(gòu)3部分，通過分模塊化設(shè)計完成了噴頭的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，所設(shè)計噴頭結(jié)構(gòu)在滿足使用功能的前提下，也實現(xiàn)了較好的集成性。

2）分析了連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料3D打印噴頭剪切裝置控制系統(tǒng)的主要功能，進行了剪切裝置控制系統(tǒng)設(shè)計，制定了噴頭剪切動作控制流程。

3）基于噴頭結(jié)構(gòu)以及剪切裝置控制系統(tǒng)設(shè)計，研制出了噴頭實物并搭建了試驗平臺，進行了復(fù)合材料預(yù)浸絲的熔融擠出打印及剪切試驗。結(jié)果顯示，剪絲刀片在噴嘴末端實現(xiàn)了對于復(fù)合材料的有效剪切，且剪切斷口平整，驗證了本文所研制新型復(fù)合材料3D打印噴頭的可靠性和實用性。

本文主要針對目前連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料3D打印工藝試驗中所存在的實際問題，進行了新型結(jié)構(gòu)噴頭的設(shè)計和研制。未來還需要根據(jù)實際工藝及使用要求等進一步完善該噴頭結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)的設(shè)計，增加其可靠性和實用性。

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收稿日期：2021-08-18;修回日期：2021-10-10;責(zé)任編輯：馮 民

基金項目：河北省重點研發(fā)計劃項目（21351002D）;石家莊市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃項目（211080041A）

第一作者簡介：鄭東昊（1994—），男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事復(fù)合材料增材制造技術(shù)方面的研究。

通訊作者：楊立寧博士。E-mail：yang_li_ning@126.com

鄭東昊，楊立寧，劉利劍，等.

連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料3D打印噴頭設(shè)計

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ZHENG Donghao，YANG Lining，LIU Lijian，et al.

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