CN118493846A - 碳纤维-尼龙复合3d打印结构、方法、多层算法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维‑尼龙复合3D打印结构、方法、多层算法及应用。所述打印结构包括层叠设置的尼龙层、尼龙碳纤维复合层以及碳纤维层；尼龙层是由尼龙纤维形成的，尼龙碳纤维复合层是由尼龙‑碳纤维复合纤维形成的，碳纤维层是由纯碳纤维形成的。本发明解决了连续碳纤维难以实现3D打印的技术问题，并解决打印物表面易出现纤维间间隙，导致表面质量不佳、不同层之间结合可能不够牢固，容易出现层间剥离或裂纹，以及打印过程易出现收缩和翘曲等一系列问题。本发明所提供的打印切片算法以及打印方法通过优化层间和层中路径规划计算方式，提高了精度，并且避免了出现打印路径交叉重叠的情况，显著提升了效率和成功率。

Description

碳纤维-尼龙复合3D打印结构、方法、多层算法及应用

技术领域

本发明涉及非金属增材制造技术领域，尤其涉及一种碳纤维-尼龙复合3D打印结构、方法、多层算法及应用。

背景技术

复合材料的3D打印技术具有悠久的发展历程，具体为，20世纪80年代初期：早期的研究开始探索将复合材料与3D打印技术结合。当时，研究人员主要使用连续纤维增强聚合物等复合材料进行实验，但由于技术限制和材料选择的挑战，该领域的进展相对缓慢。

21世纪初期至中期：随着增材制造(AM)技术的进步，复合材料的3D打印开始受到更多关注。2006年，美国麻省理工学院(MIT)的研究团队首次使用碳纤维增强聚合物进行3D打印，这标志着复合材料3D打印技术的重要突破。

2010年代至今：材料开发与优化成为复合材料3D打印的重要焦点。研究人员和制造商开始专注于开发适用于3D打印的各种复合材料，如碳纤维增强聚合物、玻璃纤维增强聚合物、金属复合材料等。他们不仅优化了材料的组成和特性，还提高了复合材料在3D打印过程中的可加工性和性能。

2015年至今：多材料和多工艺结合成为复合材料3D打印的新趋势。研究人员开始探索在单一部件中使用不同材料的多材料打印，以实现不同区域的功能需求。同时，他们也尝试将不同的3D打印工艺结合起来，例如，使用激光烧结和喷墨打印相结合，以提供更多的制造灵活性和功能性。

近年至今：复合材料的3D打印逐渐实现商业应用和产业化。在航空航天、汽车制造、医疗领域等行业中，使用复合材料3D打印技术可以实现更轻量化、高效能的零部件和产品制造。例如，航空航天领域中的复合材料3D打印已经成功应用于制造飞机部件，如发动机喷嘴和航空零件。随着技术和材料的不断改进，预计复合材料3D打印将在未来继续扩大应用范围，并在其他行业中实现更广泛的应用。

连续碳纤维材料具有优异的力学性能、轻量化特性、耐腐蚀性、电导率和电磁性能，使其在诸多高性能应用领域具有广泛的应用前景。连续碳纤维打印需要大量的碳纤维供给，但传统的碳纤维通常以纱线或纱团的形式出现，而无法直接用于打印。因此，对于连续碳纤维打印来说，需要开发适合打印的碳纤维的供给系统及对应方法，并解决碳纤维处理的技术挑战。

其主要面临的技术困难有：

1.碳纤维供给和处理：连续碳纤维打印需要大量的碳纤维供给，但传统的碳纤维通常以纱线或纱团的形式出现，而无法直接用于打印。因此连续碳纤维打印技术需要可靠的供给系统，确保持续且稳定地提供碳纤维。同时，碳纤维在打印过程中需要适当处理，以确保其与打印材料的粘合性和稳定性。这涉及到可能需要对碳纤维进行预处理，例如表面处理或改性，以提高其与打印材料的相容性和结合强度。

2.打印速度限制：由于碳纤维的特殊性质，例如强度和刚度，连续碳纤维打印的速度相对较慢。快速的打印速度可能会导致碳纤维在打印过程中断裂或出现其他质量问题。因此，目前的连续碳纤维打印技术受到了速度限制，在保证打印质量的前提下，需要平衡打印速度与碳纤维的稳定性，以提高生产效率。这涉及到可能需要采用先进的控制系统和工艺优化方法，来实现更高速度的连续碳纤维打印。

3.复杂几何结构的挑战：连续碳纤维打印技术在处理复杂几何结构时面临一定的挑战。由于碳纤维的连续性和柔韧性，对于具有复杂形状、曲线和细节的部件，可能需要额外的支撑结构或后处理工艺来保持打印质量。这涉及到可能需要开发新的建模和设计工具，以更好地适应碳纤维的打印特性。

4.表面质量和一致性：连续碳纤维打印的表面质量和一致性也是一个重要的问题。由于打印过程中的纤维排列和层间结合方式，可能导致表面不平整、纹理不均匀等问题。这对某些应用(如视觉要求较高的产品)来说可能是一个挑战。这涉及到可能需要进一步研究表面处理技术，以提高连续碳纤维打印件的表面质量和一致性。

因此，如何实现连续碳纤维的高品质打印并非易事。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳纤维-尼龙复合3D打印结构、方法、多层算法及应用。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

第一方面，本发明提供一种碳纤维-尼龙复合3D打印结构，其包括层叠设置的尼龙层、尼龙碳纤维复合层以及碳纤维层；

其中，所述尼龙层是由尼龙纤维经过铺丝打印形成的，所述尼龙碳纤维复合层是由尼龙-碳纤维复合纤维经过铺丝打印形成的，所述碳纤维层是由纯碳纤维经过铺丝打印形成的。

第二方面，本发明还提供一种用于形成上述碳纤维-尼龙复合3D打印结构的多层打印算法，其包括：

设置尼龙层、尼龙碳纤维复合层以及碳纤维层的层高参数，所述层高参数包括各材料层的层高以及各材料层对应的高度位置区间；

对所述层高参数进行分析计算和调整，以使所述尼龙层、尼龙碳纤维复合层以及碳纤维层的总层高接近设定厚度，获得多材料层高集合数据。

第三方面，本发明还提供了一种碳纤维-尼龙复合3D打印方法，其包括：

提供目标模型；

利用上述多层打印算法对所述目标模型进行打印切片规划；

基于所述打印切片规划的结果，利用3D打印机基于尼龙纤维、尼龙-碳纤维复合纤维以及纯碳纤维的混合打印，形成碳纤维-尼龙复合3D打印结构。

第四方面，本发明还提供了上述碳纤维-尼龙复合3D打印方法在制备航空航天、汽车制造、运动器材、工程建筑、医疗器械领域中的应用。

基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明所提供的碳纤维-尼龙复合3D打印结构利用纯尼龙层、尼龙碳纤维复合层以及纯碳纤维层的结合设置，解决了连续碳纤维难以实现3D打印的技术问题，并解决连续碳纤维材料3D打印由于碳纤维的方向性，打印物表面易出现纤维间间隙，导致表面质量不佳、不同层之间结合可能不够牢固，容易出现层间剥离或裂纹，以及碳纤维的热传导性能高，打印过程易出现收缩和翘曲，尤其在大型打印件上更为突出等一系列问题。

本发明所提供的打印切片算法以及打印方法通过优化层间和层中路径规划计算方式，提高了精度，并且避免了出现打印路径交叉重叠的情况，显著提升了打印效率和成功率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例提供的3D打印结构的剖面结构示意图；

图2是本发明一典型实施案例提供的3D打印硬件系统的框架结构示意图；

图3是本发明一典型实施案例提供的3D打印软件系统的框架结构示意图；

图4a是本发明一典型实施案例提供的等距偏置填充路径示意图；

图4b是本发明一典型实施案例提供的等距螺旋偏置填充路径示意图；

图5a是本发明一典型实施案例提供的现有由外至内螺旋填充路径示意图；

图5b是本发明一典型实施案例提供的改进由外至内螺旋填充路径示意图；

图5c是本发明一典型实施案例提供的现有由内至外螺旋填充路径示意图；

图5d是本发明一典型实施案例提供的改进由内至外螺旋填充路径示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

参见图1所示，本发明实施例提供一种碳纤维-尼龙复合3D打印结构，其包括层叠设置的尼龙层、尼龙碳纤维复合层以及碳纤维层；其中，所述尼龙层是由尼龙纤维经过铺丝打印形成的，所述尼龙碳纤维复合层是由尼龙-碳纤维复合纤维经过铺丝打印形成的，所述碳纤维层是由纯碳纤维经过铺丝打印形成的。

为了实现上述3D打印结构的打印制备，本发明所采用的铺丝打印方法所用的设备例如为多喷嘴打印头复合材料打印机，其采用了FDM(熔融沉积成型)技术进行3D立体复合打印。FDM技术是一种常见的增材制造技术，通过将热塑性材料从喷嘴中挤出，逐层堆叠以构建三维物体。

作为具体的应用示例，如图2所示，上述设备主要包含如下几种功能模块：

步进电机模块：嵌入式系统的运动执行单元，它通过精确的位置控制和高扭矩输出，驱动打印平台和打印头等部件进行精确的运动，从而实现高质量的三维打印。同时，步进电机模块还具有低速高精度运动、闭环控制、多轴控制等功能，提高了3D打印机的性能和稳定性。

主控板模块：嵌入式系统的核心控制单元，负责解析指令、驱动外围设备、管理电源、通信以及安全保护等功能，是3D打印机正常运行和高效打印的关键组成部分。

24V电源系统：嵌入式系统的供电单元，在打印机正常运行和高效打印过程中起着至关重要的作用，它负责为各个组件提供稳定的电压和电流，同时具备电路短接保护功能、EMI滤波、高效节能和稳定输出等特性，以确保打印机的正常运行和用户的安全使用。

TFT_LCD显示屏模块：嵌入式系统的人机交互单元，负责图形显示、信息输出、交互界面等功能，它提供直观的用户界面和图形化菜单系统，方便用户浏览和调节打印参数、管理打印文件，并实时监控打印状态和错误提示。其支持多语言、触摸屏功能、可定制界面等特性，为用户提供了便捷、直观的操作体验，提高了打印效率和用户满意度。

热打印头模块：嵌入式系统的材料挤出单元，负责将打印材料加热至熔化点以上的温度，并通过精确控制加热元件和喷嘴，实现对打印过程的精确控制。该模块包括加热元件、温度传感器、喷嘴设计等要素，确保打印材料能够均匀挤出并控制流量和方向，从而保证打印质量和可靠性从而实现对打印物体的高精度和高质量打印。同时，打印头还具有多材料打印、冷却系统、自动清洁和维护等功能，提高了3D打印的效率和稳定性。

当然，具体的硬件模块仅为示例性作用，打印机的硬件功能并非本发明的核心，本领域技术人员进行等效替换均属于本发明的可行方式之内。

而关于具体的打印结构特点，在一些实施方案中，上述结构还可以包括包裹所述尼龙层、尼龙碳纤维复合层以及碳纤维层的尼龙外墙。

在一些实施方案中，所述尼龙-碳纤维复合纤维以碳纤维作为轴芯，以尼龙材料作为鞘层复合形成。

上述技术方案中，使用不同的材料分层进行连续碳纤维复合打印，可以显著增加连续碳纤维打印成功率。具体的，尼龙材料的熔点通常在约210℃至260℃之间，熔化后尼龙变得粘稠，易于加工有助于形成并保持打印物的形状和稳定性。其具有一定的流动性，可以均匀挤出并填充打印层之间的空隙。同时，融化的尼龙具有良好的粘附性，能够牢固粘合前一层或底座表面，确保打印物的稳定性和完整性。尼龙材料在本发明中主要作为基材，利用其低熔点，熔化易加工性和具有良好的粘附性，以及一定的流动性，解决连续碳纤维材料3D打印由于碳纤维的方向性，打印物表面易出现纤维间间隙，导致表面质量不佳；不同层之间结合可能不够牢固，容易出现层间剥离或裂纹，以及碳纤维的热传导性能高，打印过程易出现收缩和翘曲，尤其在大型打印件上更为突出等一系列问题。

碳纤维是一种高强度、高模量的材料，将其与尼龙等基体材料复合可以显著提高复合材料的强度和刚度，使其在应用中能够承受更大的载荷和压力。碳纤维具有很高的比强度和比刚度，而且非常轻，将其与尼龙等轻量化的基体材料复合后，可以有效减轻整体重量，适用于对重量要求较高的应用场景，如航空航天、汽车等领域。尼龙具有良好的耐腐蚀性和耐化学性，与碳纤维的耐磨性和抗化学性相结合，使得复合材料具有较好的耐腐蚀性能，适用于一些恶劣环境下的使用条件。尼龙等基体材料通常具有良好的加工性能，易于成型和加工，与碳纤维的高强度相结合，使得复合材料在加工过程中能够保持稳定性，降低加工难度。通过调整碳纤维与尼龙的配比和层叠方式，可以实现复合材料的设计灵活性，满足不同应用场景下的需求，从而提高了材料的适用性和应用范围

本发明通过将尼龙材料和尼龙碳纤维复合材料有机结合起来，分别利用其熔化状态下良好加工特性与连续碳纤维进行不同层的复合打印，解决单一连续碳纤维材料3d打印成品存在的，表面质量不均匀，层间结合不良，收缩和翘曲，设计限制等系列问题，提高成品打印成功率，优化打印质量。

为了得到上述碳纤维-尼龙复合3D打印结构，本发明实施例还提供了一种用于形成上述碳纤维-尼龙复合3D打印结构的多层打印算法，其包括如下的步骤：

设置尼龙层、尼龙碳纤维复合层以及碳纤维层的层高参数，所述层高参数包括各材料层的层高以及各材料层对应的高度位置区间。

对所述层高参数进行分析计算和调整，以使所述尼龙层、尼龙碳纤维复合层以及碳纤维层的总层高接近设定厚度，获得多材料层高集合数据。

作为上述技术方案的典型应用示例，本发明的具体实施例开发了一套新的建模和设计上位机切片软件工具。该软件工具具有多种功能，其中包括能够导入STL(Stereolithography)格式的三维立体模型。STL是一种常用的三维模型文件格式，用于表示三维物体的表面几何信息。

一旦导入了模型，上位机软件允许用户进行可视化参数配置。这包括规划使用的打印材料，例如尼龙碳纤维复合材料和连续碳纤维材料以及尼龙材料，并确定每种材料的打印层数和铺丝路径，不同材料既可以分层复合打印，也可以在同一层进行复合打印。通过调整这些参数，用户可以优化打印过程以满足特定的设计要求和性能需求。完成参数配置后，软件将处理好的数据导出为gcode文件，并保存到U盘中。gcode文件是一种通用的数控加工文件格式，其中包含了打印机需要执行的一系列运动指令和材料沉积指令。

接下来，嵌入式控制系统读取并解析U盘中的gcode文件。根据文件中的指令，控制系统调整多喷嘴打印头的移动，并控制材料的沉积。这样，打印头就能够按照预定的路径逐层堆叠材料，逐步构建出复合材料的三维结构。

如图3所示，该嵌入式软件系统主要包括：

算法层：算法层是嵌入式软件系统核心控制单元，包含了上位机切片软件算法和下位机嵌入式设备软件算法。承担着将设计好的3D模型切片、生成打印路径、调整填充密度和支撑结构、优化打印路径、三维立体打印运动控制，打印头温度控制等关键功能。该层还负责检测和修复可能出现的打印错误，并提供用户界面以便用户调整参数、预览效果和监控打印过程。综合利用这些功能，算法层实现了高效、准确和可靠的3D打印过程。

应用层：应用层是嵌入式软件系统核心管理单元，应用层功能提供了直观友好的用户界面，使用户能够轻松操作打印机，包括选择模型、设置参数、预览效果等。同时，它还支持实时监控和控制打印过程，包括启动、暂停、停止打印，调整速度、温度等参数，并提供文件管理、远程监控、打印历史记录和固件升级等功能，以帮助用户高效、智能地管理和控制3D打印机。

采集层：采集层是嵌入式软件系统信息采集和监测单元，采集层功能涵盖了温度监测、运动控制、流量监测、压力监测、故障检测和电源管理等方面。通过传感器实时监测打印过程中的温度、位置、材料供给速率等关键参数，并检测异常情况，确保打印过程的稳定性、质量和安全性。

配置层：配置层是嵌入式软件系统参数设置单元，配置层功能涵盖了材料选择、打印参数设置、支撑结构设置、打印质量选择、打印机型号选择以及预览和调整等方面。用户可以在配置层中灵活设置和调整打印参数，以满足不同的打印需求，并通过预览功能确认打印效果，实现个性化和定制化的打印结果

协议层：协议层是嵌入式软件系统数据传输单元，协议层功能涵盖通信协议支持、文件传输、指令解析和执行、状态反馈、错误处理以及安全性保障等关键方面。该层负责打印机与控制软件之间的有效通信和数据传输，解析和执行指令，传输打印状态信息，并确保通信过程的安全性，从而保障打印任务的顺利进行和结果的准确性。

通过这个过程，该打印机可以实现不同材料的复合打印，从而为用户提供了更多的设计自由度和材料选择。

在切片引擎中，对打印模型进行分类处理是通过层级分割的。这一处理方式将模型分为多个层，每个层都单独进行打印。因此，要实现对模型的选择性增强处理，首先需要准确识别特定性能增强层的高度位置信息，并将其转换为相应层次的位置信息。接下来，在这些性能增强层的位置之前，需要插入喷头切换指令，以确保使用尼龙碳纤维复合材料和连续碳纤维材料进行打印。而对于其他位置的层，则使用常规的尼龙材料进行打印。通过这种方式生成的G代码文件，以分层形式记录了模型的打印路径信息，从而在软件端实现了对性能增强层和普通层的区分，为模型的选择性增强提供了支持。

而更加具体的，在一些实施方案中，所述算法具体可以包括如下过程：

预设所述尼龙层、尼龙碳纤维复合层以及碳纤维层为依次循环层叠。

计算打印体的累加厚度。

当所述累加厚度与设计厚度为非整数倍关系时，部分消除和/或替换各材料层，以使所述累加厚度向所述设计厚度逼近。

在一些实施方案中，不同层之间存在分层交叉区域。

所述多层打印算法还包括如下过程：计算不同材料在所述分层交叉区域打印时的误差率。

选用对应的误差率较小的一者作为所述分层交叉区域的对应打印材料。

上述技术方案涉及到了本发明的又一关键创新之处，即针对上述多层打印结构，开发了一种多材料分层处理及优化方法。

首先，传统的单一尼龙材料打印分层算法的特点和过程为：

对于单材料3D打印而言，由于其打印的喷头或材料仅为一种，因此直接单一设置打印参数即可，层高值也只需设置为单一值，单材料分层方法可如公式3-1所示：

m＝(z-b)/h+1(3-1)

式3-1中，变量m为层数，z表示模型Z轴方向的总高度，b为模型底部厚度h为层厚。模型底部厚度部分通常用来在模型底部加固模型和底板的粘结。由上式知，在单喷头3D打印中，当已知打印模型总高度位置、模型底部厚度及固定层高值，就可以得到该模型高度位置所对应的层数，打印模型的高度位置和模型的层数信息近似有简单的线性关系。

而本发明所涉及到的多材料打印分层算法的特点是：

连续碳纤维3D打印中，考虑到打印喷头及打印材料类型的两种情况，相应设置的打印层高值也有3种。如果直接使用式3-1通过打印模型的高度信息计算模型的层数信息，可能会导致计算错误。这是因为多材料打印的切片层的层数位置不是简单直接确定的。因此，无法仅通过切片层的层数位置来标识模型预期增强性能的特定部位。然而，模型预期增强性能的特定部位的高度信息是唯一确定的。因此，可以将模型特定部位的高度信息(打印总厚度)作为标识工具，以标识模型的特定性能增强部位。在连续碳纤维3D打印中，多材料的层高参数中可如式3-2设置。

S＝{C-LH：C-Set，CF-LH：CF-Set，NL-LH：NL-Set}(3-2)

在式3-2中，其中S表示多材料层高参数的设置方法，C-LH为连续碳纤维材料对应设置的层高值，C-Set为连续碳纤维材料对应设置的打印高度位置区间，CF-LH为尼龙碳纤维材料对应设置的层高值，CF-Set为尼龙碳纤维材料对应设置的打印高度位置区间，NL-LH为尼龙材料对应设置的层高值，NL-Set为尼龙材料对应设置的打印高度位置区间。通过对式3-2进行分析计算，可得到式3-3的多材料层高集合数据类型。

L＝{LH，|i＝1，2，3，4，.J}(3-3)

在式3-3中，其中L为按照打印模型层数划分的切片层层高集合，LH表示第i层的切片层层高，i表示单一层数信息，J表示打印模型的总层数。通过这种集合区间的设置方式将连续碳纤维材料打印层，尼龙碳纤维复合材料打印层和尼龙材料打印层的层高区别开，根据识别特定层的类型，在特定层设置该层合适的层高值。另一方面，特定部分的高度值并不是总是打印材料层高的整数倍，当特定部位的高度值不为层高的整数倍时，需要对多材料层高集合区间划分方式进行优化处理，例如替换部分材料层，或者取消某一层或者某几层，使得实际打印模型与模型理想形状更加接近。

此外，本发明所提供的算法还关注这种多材料层打印的误差率问题，误差率是指：误差值与正确值的比值。

在上述分层特殊情况中，误差率ε指的是若使用某种材料在分层交叉区域中进行打印从而产生的误差值占该打印材料层高的比值。误差率公式如式3-4所示：

ε＝x/LH(3-4)

式3-4中，x为若使用某两种材料在分层交叉区域P中进行打印从而产生的误差值，LH为该材料的打印层高值。

由误差率公式进而可得到比例判定表达式，表达式如下3-5所示：

Ω＝ε₁-ε₂＝x₁/LH-x₂/LH(3-5)

式3-5中，只表示比例判定结果，x₁表示若用材料1来打印分层交叉区域而产生的误差率，x₂表示若用材料2来打印分层交叉区域S而产生的误差率。当Ω>0时，表明用材料1来打印分层交叉区域产生的误差率要大于材料2来打印分层交叉区域产生的误差率，因此此时应当使用材料2来打印分层交叉区域反之，若Ω<0，则此时应当使用材料1来打印分层交叉区域。

当然，具体的误差率判定方式可以不同于此，上述实施案例仅仅是示例性作用。

在一些实施方案中，所述多层打印算法的单层铺丝路径采用等距螺旋偏置填充方法进行规划。

等距螺旋偏置填充方法规划出依次套设的第一轮廓环和第二轮廓环，所述第一轮廓环包括打印起点和打印尾点，所述第二轮廓环包括打印首段，所述第一轮廓环和第二轮廓环预设一个螺旋偏置交点。

当所述螺旋偏置交点处于所述打印起点和打印尾点的两端延长线上和/或所述打印首段的两端延长线上时，舍弃所述螺旋偏置交点。

在一些实施方案中，当所述第一轮廓环在所述第二轮廓环之外时，打印路径自所述打印尾点跳转至所述打印首段的起始位置。

当所述第一轮廓环在所述第二轮廓环之内时，打印路径自所述打印尾点连接至所述打印起点，然后跳转至所述打印首段的终止位置。

作为上述技术方案的典型示例，本发明在同一层中的连续碳纤维材料打印铺丝填充算法改进如下：

由于连续碳纤维材料具有抗拉不抗剪的材料特性，因此在使用连续碳纤维材料作为打印材料进行打印时，应尽量减少打印跳转点，保持打印路径的连续性，使得更好发挥连续碳纤维材料的性能。在碳纤维3D打印中，常使用等距螺旋偏置填充算法对打印模型填充路径进行规划，从而满足连续碳纤维材料的连续性要求，但传统的等距螺旋偏置填充算法存在一些不足，针对传统算法的不足，提出适合碳纤维增强层的改进等距螺旋偏置填充算法。

等距螺旋偏置填充算法基本原理：等距偏置填充算法是将层面的最外层轮廓环进行偏置处理，并对偏置过程中相交的轮廓环多边形进行自相交或互相交运算，最终得到层面偏置填充路径。

等距偏置填充路径Path满足以下关系：

Path＝{P|i＝1，2，3，.，I}

P＝{Cij|j＝1，2，3，...J}(3-6)

式3-6中，Path为等距偏置填充路径，Pi表示第i个子区域内的等距偏置填充多边形集合，Cij表示第i个子区域内第j个偏置多边形，I表示层面子区域的个数，J表示该子区域中偏置多边形的个数。通过对层面每个子区域进行偏置填充处理，从而实现层面的等距偏置填充路径，等距螺旋偏置填充算法是根据等距偏置填充算法修改而得到的，首先通过等距偏置填充算法对打印模型轮廓环进行偏置处理以及自相交和互相交的运算，得到层面的等距偏置填充路径，再将每个子区域的等距偏置填充路径进行螺旋化处理，得到层面的螺旋偏置填充路径。由于同一子区域内的多边形在进行螺旋化处理过程中无跳转点，因此层间打印跳转点只在不同子区域间跳转时存在。

图4a和图4b分别为用等距偏置填充算法和等距螺旋偏置填充算法对长方体外轮廓进行处理的示意图，其中螺旋偏置交点P是上一个轮廓环的尾线段所在直线和下一个偏置轮廓环的首线段所在直线的交点。

螺旋偏置交点P(Xp,Yp)的求法例如是：

由

可得

螺旋偏置交点P是上一个轮廓环的尾线段所在直线与下一个偏置轮廓环的首线段所在直线的交点，假设平面内上一个轮廓环的尾线段AM两端点分别为(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，所在直线为L1，同理，假设平面内下一个轮廓环的首线段A′B′两端点分别为(x₃，y₃)，(x₄，y₄)，所在直线为L2。

考虑到直线L1和L2在平面间不存在平行的情况，则螺旋偏置交点P的位置可有如下四种情况：

(1)交点P在AM线段上；

(2)交点P在AM线段延长线上或MA线段延长线上；

(3)交点P在A′B′线段上；

(4)交点P在A′B′线段延长线上或B′A′线段延长线上。

交点P位置的四种情况示意图分别如图5a-图5d所示，其中图5a和图5b为从外向里螺旋偏置，图5c和图5d为从里向外螺旋偏置，图5a和图5c的情况较为常见，图5b和图5d的情况主要发生在圆形或边数较多的多边形进行螺旋偏置处理时。在图中所示的四种情况示意图中，A点为上一个轮廓环的打印起点，M为上一个轮廓环的打印尾点，AM为上一个轮廓环的尾线段，A′B′为下一个轮廓环首线段，P点为螺旋偏置交点。

改进后，在图5a和图5c中，螺旋偏置填充路径为A→B→C→M→P→B′→C′→M′→A′，其偏置路径为合理打印路径，而在图5b和图5d中，若打印顺序为A→B→C→D→E→F→G→I→M→P→B′→C′→D′→E′→F′→G′→H′→I→M′，则在图5b的打印过程中会发生IM线段和PA′线段的打印路径交叉重叠的情况，在图5d的打印过程中会发生MP线段和B′C′线段的打印路径交叉重叠的情况，严重影响打印进程，导致碳纤维断裂等问题；传统等距螺旋偏置填充算法只考虑了交点P在AM线段或AB′线段中的情况，并未考虑交点P在AM、MA、A′B′、B′A′线段延长线的情况，当交点P在AM、MA、A′B′、B′A′线段延长线上时，应当舍去P点，图5b在子区域间跳转时的正确打印顺序是M→A′→B′，图5d在子区域间跳转时的正确打印顺序是M→A→B′→C′，形成螺旋偏置曲线。

以上是本发明所提供的打印结构以及规划算法的概述和示例，而作为上述结构与算法的应用基础，本发明实施例还提供了一种碳纤维-尼龙复合3D打印方法，其包括如下的步骤：

提供目标模型。

利用上述任一实施方式所提供的多层打印算法对所述目标模型进行打印切片规划。

基于所述打印切片规划的结果，利用3D打印机基于尼龙纤维、尼龙-碳纤维复合纤维以及纯碳纤维的混合打印，形成碳纤维-尼龙复合3D打印结构。

具体应用中，本发明使用FDM(熔融沉积成型)技术，设计和制造三喷嘴打印头复合材料打印机，通过开发新的建模和设计工具，进行三维模型软件切片，路径规划，生成gcode文件导入到打印机中，实现不同材料分层复合打印，或者在同一层进行复合打印，堆积成三维立体打印。

更进一步地，本发明实施例还提供了上述碳纤维-尼龙复合3D打印方法在制备航空航天、汽车制造、运动器材、工程建筑、医疗器械领域中的应用。

具体的应用领域例如：

1.航空航天领域：连续碳纤维复合打印技术可以用于制造航空航天领域的航空器零部件，如飞机机翼、机身结构、航天器外壳等。碳纤维复合材料具有高强度、轻质化等优点，可以提高飞行器的性能和耐久性。

2.汽车工业：在汽车制造领域，连续碳纤维复合打印技术可用于制造汽车的车身结构、车架、座椅等部件。利用碳纤维复合材料可以降低汽车的整体重量，提高燃油效率和安全性能。

3.船舶制造：在船舶工业中，连续碳纤维复合打印技术可以应用于制造船体、桅杆、船舶舱室等部件，提高船舶的强度、耐久性和航行性能。

4.运动器材：连续碳纤维复合打印技术还可用于制造运动器材，如自行车车架、高尔夫球杆、网球拍等。碳纤维复合材料的轻量化和高强度特性可以提高运动器材的性能，满足运动员对性能和质量的需求。

5.工程建筑领域：在建筑工程领域，连续碳纤维复合打印技术可用于制造建筑结构中的构件，如梁、柱、楼板等。碳纤维复合材料具有优异的抗拉强度和耐久性，可以提高建筑物的结构稳定性和安全性。

6.医疗领域：在医疗器械制造中，连续碳纤维复合打印技术可用于制造假体、支架等医疗器械，具有良好的生物相容性和耐腐蚀性，可以提高医疗器械的性能和使用寿命。

基于上述实施案例，可以明确，本发明实施例所提供的碳纤维-尼龙复合3D打印结构利用纯尼龙层、尼龙碳纤维复合层以及纯碳纤维层的结合设置，解决了连续碳纤维难以实现3D打印的技术问题，并解决连续碳纤维材料3D打印由于碳纤维的方向性，打印物表面易出现纤维间间隙，导致表面质量不佳、不同层之间结合可能不够牢固，容易出现层间剥离或裂纹，以及碳纤维的热传导性能高，打印过程易出现收缩和翘曲，尤其在大型打印件上更为突出等一系列问题。

本发明实施例所提供的打印切片算法以及打印方法通过优化层间和层中路径规划计算方式，提高了精度，并且避免了出现打印路径交叉重叠的情况，显著提升了打印效率和成功率。

具体的，本发明实施例所提供的技术方案，可以解决如下的具体技术问题：

1.材料性能和稳定性：碳纤维复合材料的性能直接影响到打印件的质量和性能。要解决这一问题，需要不断优化碳纤维复合材料的配方和制备工艺，确保材料具有良好的强度、韧性、稳定性和耐热性。2.打印工艺参数优化：连续碳纤维复合打印过程中，打印速度、温度、层厚、填充密度等参数的选择对打印件的质量和性能有着重要影响。需要通过实验和模拟等手段，优化打印工艺参数，提高打印件的表面质量和力学性能。3.打印设备设计和优化：连续碳纤维复合打印设备的设计和优化是关键问题之一。需要设计具有高精度、高稳定性和高效率的打印头、底座和传动系统，以实现对碳纤维复合材料的精准控制和连续成型。4.工艺监控和质量控制：连续碳纤维复合打印过程中需要实时监控打印质量和工艺参数，及时发现和解决打印中出现的问题，保证打印件的质量和稳定性。5.后处理和表面处理：打印完成后，还需要对打印件进行后处理和表面处理，以提高其表面光洁度、力学性能和耐腐蚀性。需要研究和开发适合碳纤维复合材料的后处理和表面处理技术，实现对打印件的全面加工和改性。6.成本降低和产能提升：连续碳纤维复合打印技术的商业化应用还面临着成本高昂和产能低下的挑战。需要通过技术创新和工艺优化，降低设备和材料成本，提高生产效率和产能水平，以满足大规模生产和商业化应用的需求。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纤维-尼龙复合3D打印结构，其特征在于，包括层叠设置的尼龙层、尼龙碳纤维复合层以及碳纤维层；

其中，所述尼龙层是由尼龙纤维经过铺丝打印形成的，所述尼龙碳纤维复合层是由尼龙-碳纤维复合纤维经过铺丝打印形成的，所述碳纤维层是由纯碳纤维经过铺丝打印形成的。

2.根据权利要求1所述的碳纤维-尼龙复合3D打印结构，其特征在于，还包括包裹所述尼龙层、尼龙碳纤维复合层以及碳纤维层的尼龙外墙。

3.根据权利要求1所述的碳纤维-尼龙复合3D打印结构，其特征在于，所述尼龙-碳纤维复合纤维以碳纤维作为轴芯，以尼龙材料作为鞘层复合形成。

4.一种用于形成权利要求1-3中任意一项所述的碳纤维-尼龙复合3D打印结构的多层打印算法，其特征在于，包括：

设置尼龙层、尼龙碳纤维复合层以及碳纤维层的层高参数，所述层高参数包括各材料层的层高以及各材料层对应的高度位置区间；

对所述层高参数进行分析计算和调整，以使所述尼龙层、尼龙碳纤维复合层以及碳纤维层的总层高接近设定厚度，获得多材料层高集合数据。

5.根据权利要求4所述的多层打印算法，其特征在于，具体包括：

预设所述尼龙层、尼龙碳纤维复合层以及碳纤维层为依次循环层叠；

计算打印体的累加厚度；

当所述累加厚度与设计厚度为非整数倍关系时，部分消除和/或替换各材料层，以使所述累加厚度向所述设计厚度逼近。

6.根据权利要求4所述的多层打印算法，其特征在于，不同层之间存在分层交叉区域；

所述多层打印算法还包括：计算不同材料在所述分层交叉区域打印时的误差率；

选用对应的误差率较小的一者作为所述分层交叉区域的对应打印材料。

7.根据权利要求4所述的多层打印算法，其特征在于，所述多层打印算法的单层铺丝路径采用等距螺旋偏置填充方法进行规划；

等距螺旋偏置填充方法规划出依次套设的第一轮廓环和第二轮廓环，所述第一轮廓环包括打印起点和打印尾点，所述第二轮廓环包括打印首段，所述第一轮廓环和第二轮廓环预设一个螺旋偏置交点；

当所述螺旋偏置交点处于所述打印起点和打印尾点的两端延长线上和/或所述打印首段的两端延长线上时，舍弃所述螺旋偏置交点。

8.根据权利要求7所述的多层打印算法，其特征在于，当所述第一轮廓环在所述第二轮廓环之外时，打印路径自所述打印尾点跳转至所述打印首段的起始位置；

当所述第一轮廓环在所述第二轮廓环之内时，打印路径自所述打印尾点连接至所述打印起点，然后跳转至所述打印首段的终止位置。

9.一种碳纤维-尼龙复合3D打印方法，其特征在于，包括：

提供目标模型；

利用权利要求4-8中任意一项所述的多层打印算法对所述目标模型进行打印切片规划；

基于所述打印切片规划的结果，利用3D打印机基于尼龙纤维、尼龙-碳纤维复合纤维以及纯碳纤维的混合打印，形成碳纤维-尼龙复合3D打印结构。

10.权利要求9所述的碳纤维-尼龙复合3D打印方法在制备航空航天、汽车制造、运动器材、工程建筑、医疗器械领域中的应用。