連續(xù)碳纖維三維打印的剪切算法及裝置

供稿人:者露 賀健康

目前，連續(xù)碳纖維3D打印技術的發(fā)展還處于初級階段�；�于連續(xù)路徑的優(yōu)化，在復雜模型的打印路徑形成過程中不可避免地會出現跳躍點，產生包括不同輪廓和不同層之間的跳躍。因此，需要利用剪切系統(tǒng)來實現復雜模型的3D打印。

美國Mark Forged公司生產的3D打印機有一個前端剪切裝置，可以在材料進入噴嘴之前實時剪切碳纖維。與后端剪切裝置（碳纖維從噴嘴擠出后被切斷）相比，前端剪切裝置可以在不影響成形模型的情況下剪切連續(xù)的碳纖維，但其裝置中打印噴嘴與剪斷裝置之間的距離過長，限制了其應用范圍。

武漢理工大學的研究團隊基于Mark Forged公司的打印機的前端剪斷原理，重新設計了剪斷裝置和其與打印機的裝配結構，減小了噴嘴與剪斷裝置之間的距離，拓寬了剪斷處理的應用范圍。通過對剪斷算法的研究、控制指令的匹配以及進料裝置與剪斷裝置的交替操作設計，得到包含剪斷點位置信息，剪斷指令和進料指令的控制代碼，如圖1所示。

圖1 包含剪斷點位置信息、剪斷指令和進料指令的G代碼

研究團隊基于實際的控制需求，設計并搭建出如圖2所示的剪切裝置及裝配結構，采用步進電機驅動旋轉軸，進而驅動刀片進行剪斷操作，完成打印-剪斷-跳躍-進料-打印的交替操作，實現打印過程。最后對裝置進行單層跳躍及多層跳躍的實驗驗證，模型及打印結果如圖3所示。該團隊研究工作可為連續(xù)纖維復合材料3D打印復雜結構提供一種實現方法，為連續(xù)纖維3D打印技術的發(fā)展提供思路。

圖2 剪斷裝置及裝配結構

圖3 （a）單層跳躍實驗模型和（b）結果 （c）多層跳躍實驗模型和（d）結果

參考文獻：
Tu Y , Tan Y , Zhang F , et al. Shearing algorithm and device for the continuous carbon fiber 3D printing[J]. Journal of Advanced Mechanical Design Systems and Manufacturing, 2019, 13(1):JAMDSM0016-JAMDSM0016.

供稿人:者露 賀健康 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室