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(shù)的發(fā)展還處于初級階段。基于連續(xù)路徑的優(yōu)化，在復(fù)雜模型的打印路徑形成過程中不可避免地會出現(xiàn)跳躍點，產(chǎn)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(xiàn)復(fù)雜模型的3D打印。

美國Mark Forged公司生產(chǎn)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(yīng)用范圍。

武漢理工大學(xué)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(shè)計了剪斷裝置和其與打印機的裝配結(jié)構(gòu)，減小了噴嘴與剪斷裝置之間的距離，拓寬了剪斷處理的應(yīng)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(shè)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(shè)計并搭建出如圖2所示的剪切裝置及裝配結(jié)構(gòu)，采用步進電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸，進而驅(qū)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(xiàn)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(jié)果如圖3所示。該團隊研究工作可為連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供一種實現(xiàn)方法，為連續(xù)纖維3D打印技術(shù)的發(fā)展提供思路。

圖2 剪斷裝置及裝配結(jié)構(gòu)

圖3 （a）單層跳躍實驗?zāi)Ｐ秃停╞）結(jié)果 （c）多層跳躍實驗?zāi)Ｐ秃停╠）結(jié)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