一种热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材设备及其制备方法技术

本发明专利技术属于增材制造领域，针对现有FDM(Fused Deposition Modeling)3D打印机耗材强度低，收缩率大，容易曲翘变形的缺点发明专利技术了一种热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材设备及其制备方法。将两个纤维丝盘轮(1)通过轧轮(2)牵引并由绞缠装置(5)的绞缠，通过挤出装置(3)将熔融热塑性聚合物完全包覆在纤维丝上，继而通过冷却系统(4)进行恒温冷却，由绞缠装置(5)进一步绞缠两根纤维丝，最后由牵引装置(6)牵出、收束，通过对牵引装置、绞缠装置、螺旋杆挤出器和轧轮的速度控制，保证复合丝材等径均匀。该发明专利技术创造了一种新型复合3D打印材料，拓展了FDM 3D打印机的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材设备及其制备方法
本专利技术涉及一种热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材设备及其制备方法,属于增材制造

技术介绍
3D打印,也称为增材制造,是根据所设计的3D模型,通过3D打印设备逐层增加材料来制造三维产品的技术。与传统制造技术相比,3D打印不必事先制造模具,不必在制造过程中去除大量的材料,也不必通过复杂的锻造工艺就可以得到最终产品,因此,在生产上可以实现结构优化、节约材料和节省能源。目前,3D打印技术常用于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等,也适合于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程等。3D打印这种基于材料堆积法的高新制造技术受到了国内外越来越广泛的关注,将促成一种新型的生产方式,具有广阔的发展前景。熔融沉积3D打印机(FusedDepositionModeling)即FDM3D打印机，机械结构简单,制造成本和维护成本也最低,因此FDM也是当今世界上使用最广泛的3D打印技术。3D打印机打印模型由于耗材以及加工方法原因，导致了打印出的模型强度差，不能满足高强度模型的需求；在3D打印技术中,目前,应用于FDM工艺的材料基本上是聚合物。成型材料一般为ABS、PLA、PA、PC、PVA、PPSF、石蜡等。现有耗材的优点是熔点低、易成型，韧性好,缺点是强度低，收缩率大，容易曲翘变形。连续矿物纤维材料是新一代增强纤维。纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，热膨胀系数小。它是由片状矿物微晶等矿物纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经化学处理而得到的微晶矿物材料。热塑性连续纤维复合材料是基于以上热塑性材料和矿物纤维的特点，而专利技术的一种新型材料，具备良好的复合材料综合力学性能又有良好的加工成型性，适用于所有FDM技术的3D打印机。
技术实现思路
针对现有技术的不足,本专利技术旨在提供一种热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材设备及其制备方法,以更好地提升3D打印材料的综合力学性能。为了达到上述目的，本专利技术提供的技术方案是：一种热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材，其高强度性能主要在于两个制作过程处理方法，其一是将两根纤维丝绞缠在一起，通过两根纤维丝之间的相互作用，达到提高强度的作用；其二是聚合物熔融包裹在两根绞缠在一起的纤维丝上，并且起到了浸润强化作用。其高强度性能在于3D打印时通过熔融的聚合物将两根纤维丝黏合在一起，达到了一种高强度纤维丝起主体骨架作用，而聚合物起到黏合填充作用，从而达到高强度性能。所述热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材设备，是两卷纤维丝通过两两轧轮，将两根纤维丝初步绞缠在一起，之后两根绞缠在一起的纤维丝通过一根管道，管道开端上方有熔融聚合物挤出装置，通过挤出装置，将熔融聚合物包覆在两根纤维丝上，纤维丝和聚合物的混合丝通过一段冷却系统冷却后，形成所述新型耗材，冷却系统出口处有一个绞缠装置，进一步对两根纤维丝进行绞缠，最后由牵引装置将所得耗材缠在线卷上。上述牵引装置、绞缠装置、挤出装置、轧轮均由控制系统，协调控制速度。上述聚合物挤出装置是由外部添材装置、电机、控制系统、加热系统、以及挤出装置共同组成。其中控制系统通过控制电机转动达到控制聚合物挤出速度、通过控制加热系统控制聚合物的粘滞性，挤出装置将熔融聚合物挤到管道中，包覆速度比纤维牵引速度略快，达到完全包覆在纤维丝上，同时纤维丝入口端，比纤维丝略大，达到排出多余熔融聚合物的作用。所述冷却装置由液体冷却，底部冷却液体，通过涡轮带动液体在箱体内部循环，熔融聚合物包覆的纤维丝通过箱体内部管道，达到均匀冷却效果。上述冷却系统通过温度传感器和温度控制系统，控制对液体温度的控制，从而对熔融聚合物包覆的纤维丝进行均匀冷却，保证丝材冷却后的均匀粗细。所述绞缠装置，是一根圆筒中间有橡胶，橡胶中间有比冷却丝材略小的圆孔，通过对丝材的挤压同时转动，带动丝材，使两根纤维丝充分绞缠，绞缠后纤维丝芯具有骨架强度。所述牵引装置，是由一个具有控制转速的轮盘卷住丝材，通过控制绞缠装置和轧轮的速度，达到两根纤维丝完全绞缠形成具有强度的纤维丝芯。附图说明：图1为本专利技术的结构示意图图2为本专利技术冷却系统的结构示意图图3为本专利技术挤出装置的结构示意图纤维丝盘轮1、轧轮2、挤出装置3、冷却系统4、绞缠装置5、牵引装置6、纤维丝入口7、熔融聚合物入口8、冷却液9、丝材出口10、涡轮11、冷却器12、聚合物颗粒13、加热块14、螺旋杆挤出器15。具体实施方式参照图1所示，该热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材设备的结构，包括纤维丝盘轮(1)、轧轮(2)、挤出装置(3)、冷却系统(4)、绞缠装置(5)、牵引装置(6)。冷却系统(4)上方中空处通过熔融聚合物包覆的绞缠纤维丝，中间储存冷却液(9)，冷却系统(4)底部放置冷却器(12)，让冷却液(9)始终保持一定的温度，两端液体流通口放置涡轮(11)让冷却液(9)始终循环流通，纤维丝入口(7)比两根纤维丝略大，能够让过多挤出的聚合物流出。挤出装置(3)包括最上端的一部分防止材料储存处，内有聚合物颗粒(13)，保证没有人机器也能够持续工作，下端有螺旋杆挤出器(15)侧面外壁装有加热块(14)，恒温加热保证熔融聚合物的流通性。轧轮(2)、绞缠装置(5)、牵引装置(6)、螺旋杆挤出器(15)速度经过控制系统控制，保证两根纤维丝绞缠充分，保证熔融聚合物完全包覆两根绞缠的纤维丝，保证挤出丝的均匀粗细。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材设备及其制备方法，其特征包括热塑性聚合物完全包覆两根绞缠的纤维丝，该新型3D打印机耗材制造机械的结构，包括纤维丝盘轮(1)、轧轮(2)、挤出装置(3)、冷却系统(4)、绞缠装置(5)、牵引装置(6)。

【技术特征摘要】
1.一种热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材设备及其制备方法，其特征包括热塑性聚合物完全包覆两根绞缠的纤维丝，该新型3D打印机耗材制造机械的结构，包括纤维丝盘轮(1)、轧轮(2)、挤出装置(3)、冷却系统(4)、绞缠装置(5)、牵引装置(6)。2.根据权利要求1所述的一种热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材设备及其制备方法，其特征在于上述轧轮(2)首先对纤维丝进行绞缠，让两根纤维丝进行初步的绞缠，绞缠装置(5)对所获得丝材进一步进行绞缠，让两根纤维丝之间互相作用，达到增强强度的效果。3.根据权利要求1和2所述的一种热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材设备及其制备方法，其特征在于控制系统对牵引装置(6)、轧轮(2)、绞缠装置(5)、螺旋杆挤出器(15)之间相互速度的控制，达到两根纤维丝能够充分绞缠，并且挤出丝能够均匀挤出。4.根据权利要求1所述的一种热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材设备及其制备方法，其特征在于冷却系统(4)中纤维丝入口(7)比两根...

【专利技术属性】
技术研发人员：王坤，张振江，胡志勇，胡浩，马宏远，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15