[发明专利]热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统和方法

权利要求书

1.一种热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统，其打印喷头为双喷头设计，所述的双喷头安装在普通的FDM型3D打印机上实现x、y、z三轴运动；其特征在于，包括热塑性树脂基连续纤维预浸料3D打印喷头（401）和热塑性纯树脂3D打印喷头（402）；所述热塑性树脂基连续纤维预浸料3D打印喷头（401）包括热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）、为其提供向下驱动力的连续纤维预浸料供料辊（102）、设置于连续纤维预浸料供料辊（102）下方的金属导向管（103）、设置于金属导向管（103）之间的对心剪断机构（104）、包裹在金属导向管（103）外表面的散热片（105），设置于散热片（105）下方使热塑性树脂熔融的第一加热块（106）以及金属导向管（103）最下端的压实圆角（107）；所述热塑性纯树脂3D打印喷头（402）包括热塑性纯树脂耗材（109）、为其提供向下驱动力的热塑性纯树脂供料辊（110）、防止熔融树脂向上堆积的散热片（105）、降低摩擦的特氟龙喉管（111）、使热塑性纯树脂受热呈熔融态的第二加热块（112）以及喷嘴（113）。

2.根据权利要求1所述的热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统，其特征在于，所述热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）为截面为圆形的直径小于1mm的含有连续纤维（201）的连续丝线状长丝，连续纤维（201）增强体在热塑性树脂（202）基体内分布均匀，具有较高的浸渍度，大大提高非金属3D打印的力学强度。

3.根据权利要求2所述的热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统，其特征在于，所述连续纤维（201）为碳纤维、玻璃纤维或凯夫拉纤维；所述热塑性树脂（202）为ABS、PLA或PEEK。

4.根据权利要求1所述的热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统，其特征在于，所述连续纤维预浸料供料辊（102）包括两个辊，一个表面为齿牙状，增加送丝的摩擦力，另一个为表面光滑的U形辊，保证热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）在进入打印喷头时的对中性。

5.根据权利要求1所述的热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统，其特征在于，所述对心剪断机构（104）由硬质合金刀片和力矩大且加减速度快的动力源组成，必须迅速剪断热塑性树脂基连续纤维预浸料（101），保证热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）的打印过程连续性。

6.根据权利要求1所述的热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统，其特征在于，所述第一加热块（106）和第二加热块（112）采用电加热棒、陶瓷或电磁加热，使热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）中的热塑性树脂（202）受热达到熔融态。

7.根据权利要求1所述的热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统，其特征在于，所述压实圆角（107）必须光滑，圆角要大于热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）的直径，以免在打印过程中产生刮胶现象。

8.根据权利要求1所述的热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统，其特征在于，所述金属导向管（103）的内径与热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）为间隙配合，保证热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）在金属导向管（103）内不能产生过大的弯曲，以免连续纤维（201）在加热段产生堵塞。

9.一种热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：

S301、分析结构件的实际载荷情况；

S302、根据实际载荷情况以及热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）的力学性能对结构件进行拓扑优化设计；

S303、根据优化设计结果确定最优打印方式；

S304、根据最优打印方式确定控制G代码；

S305、执行控制G代码，完成结构件的热塑性树脂基连续纤维预浸料的3D打印。

10.根据权利要求9所述的热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印方法，其特征在于，所述步骤S301的载荷根据仿真分析或测量得到；

所述步骤S302的热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）的力学性能为各向异性，即沿轴向力学性能远大于径向的力学性能，因此，必须让载荷方向与热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）打印方向重合，使热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）轴向承受最大的载荷；

所述步骤S302的拓扑优化设计应最大化保持结构件的连续性，以保证热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）打印过程中的连续性，提高打印速度，增加结构件的力学强度；

所述步骤S303的最优打印方式即热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）的打印路径以及剪断次数，由于热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）为各向异性材料，即其沿轴向力学性能远大于径向的力学性能，因此，热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）要沿着载荷的方向打印使热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）的轴向承受最大的载荷，而且在打印结构体的内部时减少连续纤维（201）的剪断次数，降低加工的难度，保证结构的一体性；

所述步骤S304的控制G代码包括喷头移动代码，由热塑性树脂基连续纤维预浸料（101）的打印路径代码以及热塑性纯树脂3D打印喷头（402）打印支撑部分的移动代码组成；连续纤维预浸料供料辊（102）供料代码，其供料的速度与喷头移动速度相同，保证连续纤维正常打印；热塑性纯树脂供料辊（110）供料代码，为具有悬臂的结构件添加支撑部分，所述的支撑强度不高且易于拆除；连续纤维预浸料喷头加热温度代码；热塑性纯树脂打印头加热温度代码；连续纤维预浸料的剪断动作代码，保证连续纤维预浸料打印路径产生较大转变角度时能够迅速剪断连续纤维。