摘 要

3D打印技术具有一体成型、不受模型复杂度限制的特点，缩短了产品的研制周期，提高了生产效率。碳纤维复合材料有着质轻高强、内柔外刚、耐高温、耐腐蚀等诸多优良特性。将连续碳纤维复合材料与3D打印技术相结合，能够同时集成碳纤维材料的优良特性和3D打印技术自由成型的优势，具有广阔的应用前景。

碳纤维复合材料 3D 打印技术采用基于熔融沉积工艺的逐层叠加方式，依靠基体材料从熔化到凝固的自然粘结实现三维成型。致密性影响成型性能。针对这一问题，提出了碳纤维复合材料3D打印的压力监控系统。主要进行了如下工作：

（1）查阅了相关国内外资料，通过分析后确定3D打印系统的总体设计方案，并绘制框图。

（2）根据拟定的设计方案，对系统的各个硬件部分进行分析和设计，选择合适的电路来完成硬件部分。

（3）针对设计成型的硬件和压力监控系统所需的功能，完成了对主程序的设计与开发和各个电路模块调用函数的设计与开发。

（4）完成整个系统后，对系统的性能进行模拟测试验证，对出现的问题进行改进。

3D打印成型过程中的压力实时监控系统的完成。有效的提高了打印件的成型性能。

论文主要研究了依据碳纤维复合材料3D打印工艺，确定打印喷头的压力检测与控制方案。根据压力监控方案，设计压力监控系统，包括软硬件。构建打印喷头的压力监控装置，实现打印头的压力监控。

综上，通过对碳纤维复合材料 3D 打印的压力监控系统设计，能够增强3D打印成型件的层间致密性和力学性能，为高性能 3D 打印奠定基础。

Abstract

3D printing technology has the characteristics of integrated molding and is not limited by the complexity of the model, which shortens the development cycle of the product and improves the production efficiency. Carbon fiber composite materials have many excellent characteristics such as light weight, high strength, soft inner and outer, high temperature resistance and corrosion resistance. The combination of continuous carbon fiber composite material and 3D printing technology can simultaneously integrate the excellent characteristics of carbon fiber materials and the advantages of free forming of 3D printing technology, and has broad application prospects.

Carbon fiber composites 3D printing technology uses a layer-by-layer stacking method based on a fused deposition process to achieve three-dimensional molding by relying on the natural bonding of the matrix material from melting to solidification. Density affects molding properties. In response to this problem, a pressure monitoring system for carbon fiber composite 3D printing was proposed. Mainly carried out the following work:

(1) Check the relevant domestic and foreign materials, and determine the overall design scheme of the 3D printing system through analysis and draw a block diagram.

(2) According to the proposed design, analyze and design the various hardware parts of the system, and select the appropriate circuit to complete the hardware part.

(3) For the design of the hardware and pressure monitoring system required functions, the design and development of the main program and the design and development of the call function of each circuit module are completed.

(4) After the completion of the entire system, the performance of the system is tested and verified to improve the problems.

The completion of the pressure real-time monitoring system during the 3D printing process. Effectively improve the molding performance of the print.

The paper mainly studies the 3D printing process of carbon fiber composites to determine the pressure detection and control scheme of the printing nozzle. According to the pressure monitoring program, the pressure monitoring system is designed, including hardware and software. A pressure monitoring device for the print head is constructed to achieve pressure monitoring of the print head.

In summary, the design of the pressure monitoring system for carbon fiber composite 3D printing can enhance the interlaminar compactness and mechanical properties of 3D printed parts, laying the foundation for high-performance 3D printing.

Key words: 3D printing; carbon fiber composite; pressure monitoring system

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景、目的及意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2 碳纤维3D打印压力监控系统研究目的及意义 2

1.2 相关领域国内外研究现状 2

1.3 本文主要研究内容和组织结构 3

1.3.1 本文研究内容 3

1.3.2 本文组织结构 4

第二章 碳纤维复合材料3D打印压力监控系统的总体设计 6

2.1碳纤维复合材料3D打印的工作方式 6

2.1.1 3D打印系统构成 6

2.1.2 碳纤维复合材料3D打印流程 7

2.2 压力监控系统的总体设计 8

2.2.1 压力监控系统的工作原理与流程 8

2.2.2 压力监控系统的设计要求 10

2.2.3 压力监控系统的结构组成 11

第三章 压力监控系统的硬件电路设计 12

3.1模数转换采集电路模块 12

3.1.1 传感器的选择 13

3.1.2 数模转换采集芯片的选择 15

3.1.3 模数转换电路设计 16

3.2微处理器的选择 17

3.2.1 STM32最小系统 18

3.2.2 JTAG烧录程序模块 20

3.3 反馈控制电路模块 20

3.4 外围电路设计模块 21

3.5 模块电路集成设计 23

第四章 压力监控系统的软件设计 27

4.1 具体方案设计框图 27

4.2 主程序设计 28

4.3 数据采集软件程序设计 30

4.3 部分电路软件设计 33

4.3.1 反馈控制电路软件设计 33

4.3.2 外围电路软件设计 34

第五章 压力监控系统实验 38

5.1 实验背景及准备 38

5.1.1 压力监控系统实物 38

5.1.2 压力监控系统测试 38

5.2实验现象及效果 39

结论 41

参考文献 43

附录A 45

致谢 46

第一章 绪论

1.1研究背景、目的及意义

1.1.1研究背景

3D打印作为增材制造（additivemanufacturing，AM）技术的主要实现形式，被称为“具有工业革命意义的制造技术”^[1]，在制造领域中是快速发展的一项新兴科技，在工业制造、模具设计、建筑设计、医疗行业、文化创意等各个领域得到了广泛运用，在世界范围内引起了高度关注。3D 打印作为信息技术与制造技术相结合的先进智能制造技术，颠覆了传统减材制造的工艺思路，以增材制造的模式引发着制造行业的重大变革，成为产业升级和自主创新的重要推力。

3D打印增材制造技术基于离散堆积原理，以三维数字模型文件为基础，通过材料的逐层叠加来实现模型的成型制造^[2]。FDM（FusedDepositionModeling）熔融沉积成型技术是市场上目前最常见的3D打印技术，使用PLA、ABS、尼龙等热塑性材料制成的丝状供料，在打印喷头内被加热熔化，按照三维模型的打印轨迹在工作台表面逐层叠加凝固成型。3D技术可以制造传统工艺难以加工的复杂结构零件，极大地缩短了产品的研制周期，有效地简化了产品的制造工序，从而提高了生产效率并且其为先进制造技术的重要组成部分^{[3, 4]}。