一种用于头盔的多自由度增材制造打印方法与流程

1.本发明涉属于先进制造技术领域，尤其涉及一种用于头盔的多自由度增材制造打印方法。


背景技术：

2.头盔常见成形工艺主要包括手糊模压成形、三维编织成形以及缠绕成形。手糊模压成形是头盔生产的典型工艺，其成形受金属模具制约，种类单一，不易更换；三维编织成形主要面向军用防弹头盔，通过编织贯穿接结角联锁织物，相比于手糊成形改善了织物的连续性；缠绕工艺分为干法、湿法、半干法缠绕三种，主要是将预浸料在张力控制下，按预定路径高速而精确地缠绕在转动地模芯上，固化后脱模即可，但不适合带凹面制件的制造，制约了成形头盔形状。因此固定模具约束了头盔的形状，且与性能要求共同限制其成形。
3.头盔作为具有复杂曲面的结构，增材制造是目前主流成形新思路。通过对目标头盔制件模型进行曲面分层切片，依据各层填充设置，即可获取头盔整体曲面填充路径，继而引入多自由度机械臂，将高性能纤维增强热塑性树脂基预浸复合丝材按路径多自由打印填充，即可实现复杂曲面头盔高性能成形。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明公开了一种用于头盔的多自由度增材制造打印方法，基于一种复杂曲面分层方法，目的是改善头盔传统成形工艺对头盔形状与性能的多向约束，最终实现复杂曲面高质量成形。
5.一种用于头盔的多自由度增材制造打印方法，括以下步骤：
6.步骤1：提取目标头盔模型的形状特征，包括内外表面、边线和点的特征信息；
7.步骤2：设定特征层厚t0、壁厚系数k，选则头盔模型内表面，调用数控程序，对目标制件由内表面至外表面以t0值进行等距偏移分层，得到系列曲面层集合，记录模型厚度方向各层信息；
8.步骤3：依据各曲面层完整性，基于“基底层 突起层”分割原则，对模型进行粗分割，并遍历突起部分，对其进一步细化分割，最终实现整体模型区域分割；
9.步骤4：对突起层进行填充构形处理，内缩壁厚t＝k*t0，得到各区域突起填充厚度及切片信息；
10.步骤5：选择外表面，调用数控程序，结合壁厚值，生成模型壁厚曲面偏移分层切片信息；
11.步骤6：设定喷嘴直径、填充角度、填充间距以及选择填充方式；
12.步骤7：选取模型底边线，点选起始点，设定模型基底填充起始点，按照“基底层顺序填充
→
突起层序填充
→
外壁顺序填充”的填充原则，依据步骤6的参数设置，进行层层路径规划，直至完成得到目标头盔整体打印路径信息。
13.步骤8：多自由度打印设备按照打印路径信息，在目标头盔支撑模具上进行层层填
充打印，直至完成目标头盔打印。
14.进一步的，依据目标头盔制件模型的内表面，需设计支撑模具，选用可溶性树脂材料，并基于fdm工艺打印制备头盔支撑模具，材料可为pva、esoluble、aquasys 120等水溶性树脂3d打印耗材；
15.进一步的，目标头盔打印材料为常见热塑性塑料丝材，可为pla、abs、尼龙等材料，或是以此为基体的纤维增强树脂基预浸复合丝材，可为短/连续碳纤维增强复合丝材、短/连续玻纤增强复合丝材；
16.进一步的，头盔支撑模具有两种成形方式：
①
可通过多自由度打印设备装配双打印头实现，其中一个打印头用于常规打印支撑模具，另一个用于曲面打印头盔主体；
②
可通过单独fdm打印设备完成打印后，再安装在多自由度打印设备的打印台上；
17.进一步的，打印设备为6轴机械臂打印机，其打印头位姿状态始终满足喷嘴中心线与路径方向垂直；
18.进一步的，目标头盔模型曲面切片后得到的各曲面层信息，每层填充路径参数可单独设置，使得各层材料交错排布，达到编织强化效果；
19.进一步的，目标头盔打印完成后，连同内部头盔模具从打印台支座取下，静置在常温水槽中，直至支撑模具溶解，得到最终目标头盔制件。
20.进一步的，所述填充方式为每层单独设定为直线填充、之字形填充或回字形填充中的其中一种。
21.本发明的有益效果：
22.1、本发明提供的上述打印方法基于针对复杂曲面结构制件的一种用于头盔的多自由度增材制造方法；首先基于目标头盔内表面采用水溶性树脂打印出头盔支撑模具；然后对目标头盔模型，由内表面，从内至外，按特征层厚进行曲面等距偏移分层；接着基于曲面层完整性，以基底和突起两部分为分割目标，由内向外，逐区遍历分割，进行切片信息存储；
23.2、对遍历分割后所有突起区域进行内缩壁厚的构形处理；基于填充参数设置，得到目标制件系列曲面各层填充信息；通过多自由度打印设备在支撑模具上，沿路径设置，进行层层填充，完成目标头盔打印；最后头盔与支撑模具共同放入水槽，溶解模具后，得到最终目标头盔制件。
24.3、该方法为实现复杂曲面结构头盔制件增材制造提供了一种新思路新方法。
附图说明
25.图1为本发明中目标头盔、支撑模具、打印台示意图。
26.图2为本发明中等距偏移分层步骤示意图。
27.图3为本发明中遍历区域分割步骤示意图。
28.图4为本发明中突起填充构形步骤示意图。
29.图5为本发明中分区打印流程步骤示意图(其中
①‑
基底顺序填充；
②
突起层序填充；
③‑
外壁顺序填充)。
30.附图标记
31.其中1—目标头盔制件；2—头盔支撑模具；3—打印平台基座。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
33.本实施例的一种用于头盔的多自由度增材制造打印方法，包括以下步骤：
34.1)确定目标头盔模型，厚度为4.8mm，提取目标头盔模型的形状特征，包括内外表面、边线和点的特征信息，依据头盔模型内表面建立头盔支撑模具模型，并采用esoluble材料打印出水溶性支撑模具，并安装在6轴打印平台基座上；
35.2)设定特征层厚0.6mm、壁厚系数3，选择头盔模型内表面，基于nx软件nc模块进行路径编辑处理，实现对目标制件由内表面至外表面以0.6mm进行等距偏移分层，得到系列曲面层集合(共8层)，记录模型厚度方向各层信息；
36.3)依据各曲面层完整性，基于“基底层 突起层”分割原则，对模型进行粗分割，并遍历突起部分，对其进一步细化分割，最终实现整体模型区域分割，得到各基底层区域和突起层区域集合；
37.4)对突起层区域进行填充构形处理，内缩壁厚1.8mm＝3*0.6mm，得到各区域突起填充厚度及切片信息(5层)；
38.5)选择外表面，基于nx软件nc模块进行路径编辑处理，结合壁厚值，生成模型壁厚曲面偏移3层的切片信息；
39.6)采用头盔打印材料为直径为0.8mm的3k连续碳纤维增强pla复合预浸丝材，设定喷嘴直径1.0mm、填充角度45
°
、填充间距0.8mm、填充方式为“之字形填充”，各曲面层相对填充变换角度为90
°
(即填充角度：第一层45
°
、第二层-45
°
、第三层45
°…
)；
40.7)选取模型底边线，点选起始点，设定模型基底填充起始点，按照“基底层顺序填充
→
突起层序填充
→
外壁顺序填充”的填充原则，依据步骤6)的参数设置，进行层层路径规划，直至完成得到目标头盔整体打印路径代码，对打印头位姿状态进行转换，以使其始终满足喷嘴中心线与路径方向垂直，生成6轴打印设备最终打印代码；
41.8)多自由度打印设备按照打印代码，在目标头盔支撑模具上进行层层填充打印，直至完成目标头盔打印；
42.9)将目标头盔与支撑模具从打印平台基座取下，放置水槽中，直至模具水解，取出目标头盔，完成打印。
43.本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。