连续碳纤维三维打印的剪切算法及装置

供稿人:者露 贺健康

目前，连续碳纤维3D打印技术的发展还处于初级阶段。基于连续路径的优化，在复杂模型的打印路径形成过程中不可避免地会出现跳跃点，产生包括不同轮廓和不同层之间的跳跃。因此，需要利用剪切系统来实现复杂模型的3D打印。

美国Mark Forged公司生产的3D打印机有一个前端剪切装置，可以在材料进入喷嘴之前实时剪切碳纤维。与后端剪切装置（碳纤维从喷嘴挤出后被切断）相比，前端剪切装置可以在不影响成形模型的情况下剪切连续的碳纤维，但其装置中打印喷嘴与剪断装置之间的距离过长，限制了其应用范围。

武汉理工大学的研究团队基于Mark Forged公司的打印机的前端剪断原理，重新设计了剪断装置和其与打印机的装配结构，减小了喷嘴与剪断装置之间的距离，拓宽了剪断处理的应用范围。通过对剪断算法的研究、控制指令的匹配以及进料装置与剪断装置的交替操作设计，得到包含剪断点位置信息，剪断指令和进料指令的控制代码，如图1所示。

图1 包含剪断点位置信息、剪断指令和进料指令的G代码

研究团队基于实际的控制需求，设计并搭建出如图2所示的剪切装置及装配结构，采用步进电机驱动旋转轴，进而驱动刀片进行剪断操作，完成打印-剪断-跳跃-进料-打印的交替操作，实现打印过程。最后对装置进行单层跳跃及多层跳跃的实验验证，模型及打印结果如图3所示。该团队研究工作可为连续纤维复合材料3D打印复杂结构提供一种实现方法，为连续纤维3D打印技术的发展提供思路。

图2 剪断装置及装配结构

图3 （a）单层跳跃实验模型和（b）结果 （c）多层跳跃实验模型和（d）结果

参考文献：
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 贺健康 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室