一种连续纤维编织体增强纤维复合材料3D打印方法技术

本发明专利技术提供了一种连续纤维编织体增强纤维复合材料3D打印方法，属于3D打印材料成型领域。本发明专利技术采用短纤维增强热塑性树脂基复合材料为基体，连续纤维编织体为支撑骨架，通过加热把基体材料热熔注入支撑骨架内，并辅助针刺Z向增强，实现新型纤维增强复合材料3D打印成型。该技术有效增加了连续纤维复合材料的纤维含量，将纺织行业的编织和针刺工艺与3D打印技术相结合，并且通过对连续纤维编织体进行预处理加强了其与热塑性树脂的结合力，同时Z向针刺使纤维也对层间结合力有增强作用，能够显著提升复合材料结构的强度。本发明专利技术有效解决了纤维3D打印材料纤维含量低、结构强度低和层间结合性能差等问题。合性能差等问题。合性能差等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种连续纤维编织体增强纤维复合材料3D打印方法


[0001]本专利技术涉及3D打印成型领域，具体涉及一种连续纤维编织体增强纤维复合材料3D打印方法。

技术介绍

[0002]纤维增强树脂基复合材料3D打印技术为热塑性复合材料的低成本制造提供了可能性，在航空航天、新能源汽车等领域有着巨大的应用前景。纤维复合材料3D打印技术中目前只有短纤维打印工艺较为成熟，但短纤维对于试件力学性能的提升非常有限，而连续纤维增强热塑性树脂基复合材料3D打印技术有望实现高性能复合材料的低成本快速制造成型，但仍存在以下几个问题制约了其推广应用。
[0003]目前，3D打印成型的连续纤维复合材料纤维含量不高，导致复合材料承载能力较低。纤维和树脂经过喷嘴加热后挤出后只是在平台上简单堆积成型，制件在Z向的结合力主要靠树脂材料间的粘合力大小决定，纤维并未对Z向层间结合起到加强作用，因此力学性能仍取决于强度较低的树脂基体材料。热塑性基材与连续纤维复合成形结合力较低，导致纤维所起到的增强效果并未达到预期效果。
[0004]因此，如何改变现有复合材料纤维含量低、结构强度低和层间结合性能差的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]针对存在的问题，本专利技术参考了建筑领域“先铺钢筋，再灌水泥”的思路，综合了短纤维丝材的高纤维含量和长纤维丝材的高结构强度，同时将纺织行业的编织和针刺工艺与3D打印技术相结合，提出了解决纤维3D打印材料纤维含量低、结构强度低和层间结合性能差等问题的新路径。
[0006]本专利技术提供了一种连续纤维编织体增强纤维复合材料3D打印方法：所述的3D打印方法包括如下步骤：
[0007](1)连续纤维编织体的制备：先对连续纤维进行预处理，再通过编织工艺将连续纤维制成编织结构，然后使用熔融的热塑性树脂对其进行浸渍，制备出连续纤维编织体；
[0008](2)增强热塑性树脂基材的制备：将短纤维增强热塑性树脂基材原料制成毛毡，对毛毡进行针刺处理后收拢卷成条状，将条状毛毡在230－300℃条件下加热6－30分钟，经过挤出设备进行以6－25MPa的压力进行加捻挤出冷却后裁剪成适当宽度的短纤维增强热塑性树脂基材；所述的短纤维增强热塑性树脂基材原料按照质量比，由短纤维50～60％；热塑性树脂纤维30～50％；相容剂0～3％；助剂0～2％组成；
[0009](3)导入3D打印模型；
[0010](4)利用连续纤维编织体增强的纤维复合材料3D打印装置将步骤(2)获得的短纤维增强热塑性树脂基材经加热熔融、搅拌均匀后再送入一号3D打印喷头，将步骤(1)获得的连续纤维编织体经加热后再送入二号3D打印喷头；
[0011](5)打印机开始工作，二号3D打印喷头将加热的连续纤维编织体输出，同时一号3D打印喷头将熔融状态的基材喷出并注入输出的连续纤维编织体内，在基材未固结前，采用针刺机构对基材和编织体进行Z向针刺，将基体中短纤维勾连起来并与纤维编织体形成交联结构材料；
[0012](6)按照步骤(5)的操作方式，打印完成一个连续路径后，通过切断机构剪断纤维并移动喷头至下一个连续路径的起点，按照步骤(5)重复操作直到打印完成，获得所需制品；
[0013](7)对加工完成的制品进行后处理，得到成品。
[0014]进一步地，步骤(1)所述的连续纤维为碳纤维、芳纶纤维、麻纤维、玄武岩纤维中的一种或任意组合，所述的热塑性树脂为PP、PEEK、PA6、PA66、ABS或PLA中的一种或任意组合。
[0015]进一步地，步骤(1)所述的连续纤维编织体结构为平纹、斜纹、缎纹或三维立体编织结构中的一种或任意组合。
[0016]进一步地，步骤(1)所述的预处理为上浆处理、电化学处理、等离子处理、化学处理或氧化处理中的一种或任意组合。
[0017]进一步地，步骤(2)所述的短纤维为碳纤维、芳纶纤维、麻纤维、玄武岩纤维中的一种或任意组合，所述的热塑性树脂为PP、PEEK、PA6、PA66、ABS或PLA中的一种或任意组合；所述的相容剂为硅烷偶联剂或马来酸酐中的一种或任意组合；助剂为润滑剂、分散剂或热氧稳定剂中一种或任意混合。
[0018]进一步地，步骤(4)所述的一种连续纤维编织体增强的纤维复合材料3D打印装置，包括垂直放置的一号3D打印喷头、二号3D打印喷头、针刺机构、送料机构，导向套、加热机构、搅拌机构、切断机构和工作台，其中二号3D打印喷头和针刺机构分别位于一号3D打印喷头的左侧和右侧，二号3D打印喷头可通过旋转的方式实现与一号3D打印喷头之间的夹角可调整，基材和编织体分别通过切断机构、导向套、送料机构与加热机构处理后进入打印喷头，其中基材进入喷头前需进行均匀搅拌处理，经喷头处理后采用针刺机构对基材和编织体进行Z向针刺，将基体中短纤维勾连起来并与纤维编织体形成交联结构材料制品于工作台上。
[0019]进一步地，步骤(5)所述的Z向针刺深度为大于纤维编织体厚度的二分之一且小于编织体厚度。
[0020]进一步地，所述的3D打印方法还包括如下步骤：
[0021](1)对碳纤维进行上浆处理，再通过编织工艺将碳纤维制成平纹编织结构，然后使用熔融态PLA树脂对其进行浸渍，制备出连续纤维编织体；
[0022](2)按照质量比：将短碳纤维50％，PLA树脂纤维45％，硅烷偶联剂3％，润滑剂2％的原料混合制成毛毡，对毛毡进行针刺处理后收拢卷成条状，将条状毛毡在230－250℃条件下加热6－10分钟，经过挤出设备进行以6－10MPa的压力进行加捻挤出,然后冷却后裁剪成适当宽度的短碳纤维增强PLA树脂基材；
[0023](3)导入3D打印模型；
[0024](4)将步骤2)获得的短碳纤维增强PLA树脂基材经加热熔融和搅拌后送入一号3D打印喷头，将步骤1)的连续纤维编织体经加热后送入二号3D打印喷头；
[0025](5)打印机开始工作，二号3D打印喷头将加热后的连续纤维编织体输出，同时一号
3D打印喷头将熔融状态的基材喷出并注入输出的连续纤维编织体内，在基材未固结前，采用针刺机构对基材和编织体进行Z向针刺，针刺厚度为编织体厚度的2/3,将基体中短纤维勾连起来并与纤维编织体形成交联结构材料；
[0026](6)按照步骤(5)的操作方式，打印完成一个连续打印路径后，通过切断机构剪断纤维并移动喷头至下一个连续路径的起点，按照步骤(5)重复操作直到打印完成，获得所需制品；
[0027](7)对加工完成的制品进行后处理，得到成品。
[0028]进一步地，所述的3D打印方法还包括如下步骤：
[0029](1)对芳纶纤维进行电化学处理，再通过编织工艺将芳纶纤维制成斜纹编织结构，然后使用熔融态PEEK树脂对其进行浸渍，制备出连续纤维编织体；
[0030](2)按照质量比：将短芳纶纤维55％，PEEK树脂纤维40％，硅烷偶联剂3％，分散剂2％的原料混合制成毛毡，对毛毡进行针刺处理后收拢卷成条状，将条状毛毡在250－本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连续纤维编织体增强纤维复合材料3D打印方法，其特征在于：所述的3D打印方法包括如下步骤：(1)连续纤维编织体的制备：先对连续纤维进行预处理，再通过编织工艺将连续纤维制成编织结构，然后使用熔融的热塑性树脂对其进行浸渍，制备出连续纤维编织体；(2)增强热塑性树脂基材的制备：将短纤维增强热塑性树脂基材原料制成毛毡，对毛毡进行针刺处理后收拢卷成条状，将条状毛毡在230－300℃条件下加热6－30分钟，经过挤出设备进行以6－25MPa的压力进行加捻挤出冷却后裁剪成适当宽度的短纤维增强热塑性树脂基材；所述的短纤维增强热塑性树脂基材原料按照质量比，由短纤维50～60％；热塑性树脂纤维30～50％；相容剂0～3％；助剂0～2％组成；(3)导入3D打印模型；(4)利用连续纤维编织体增强的纤维复合材料3D打印装置将步骤(2)获得的短纤维增强热塑性树脂基材经加热熔融、搅拌均匀后再送入一号3D打印喷头，将步骤(1)获得的连续纤维编织体经加热后再送入二号3D打印喷头；(5)打印机开始工作，二号3D打印喷头将加热的连续纤维编织体输出，同时一号3D打印喷头将熔融状态的基材喷出并注入输出的连续纤维编织体内，在基材未固结前，采用针刺机构对基材和编织体进行Z向针刺，将基体中短纤维勾连起来并与纤维编织体形成交联结构材料；(6)按照步骤(5)的操作方式，打印完成一个连续路径后，通过切断机构剪断纤维并移动喷头至下一个连续路径的起点，按照步骤(5)重复操作直到打印完成，获得所需制品；(7)对加工完成的制品进行后处理，得到成品。2.根据权利要求1所述的一种连续纤维编织体增强纤维复合材料3D打印方法，其特征在于：步骤(1)所述的连续纤维为碳纤维、芳纶纤维、麻纤维、玄武岩纤维中的一种或任意组合，所述的热塑性树脂为PP、PEEK、PA6、PA66、ABS或PLA中的一种或任意组合。3.根据权利要求1或2所述的一种连续纤维编织体增强纤维复合材料3D打印方法，其特征在于：步骤(1)所述的连续纤维编织体结构为平纹、斜纹、缎纹或三维立体编织结构中的一种或任意组合。4.根据权利要求3所述的一种连续纤维编织体增强纤维复合材料3D打印方法，其特征在于：步骤(1)所述的预处理为上浆处理、电化学处理、等离子处理、化学处理或氧化处理中的一种或任意组合。5.根据权利要求4所述的一种连续纤维编织体增强纤维复合材料3D打印方法，其特征在于：步骤(2)所述的短纤维为碳纤维、芳纶纤维、麻纤维、玄武岩纤维中的一种或任意组合，所述的热塑性树脂为PP、PEEK、PA6、PA66、ABS或PLA中的一种或任意组合；所述的相容剂为硅烷偶联剂或马来酸酐中的一种或任意组合；助剂为润滑剂、分散剂或热氧稳定剂中一种或任意混合。6.根据权利要求5所述的一种连续纤维编织体增强纤维复合材料3D打印方法，其特征在于：步骤(4)所述的一种连续纤维编织体增强的纤维复合材料3D打印装置，包括垂直放置的一号3D打印喷头、二号3D打印喷头、针刺机构、送料机构，导向套、加热机构、搅拌机构、切断机构和工作台，其中二号3D打印喷头和针刺机构分别位于一号3D打印喷头的左侧和右侧，二号3D打印喷头可通过旋转的方式实现与一号3D打印喷头之间的夹角可调整，基材和
编织体分别通过切断机构、导向套、送料机构与加热机构处理后进入打印喷头，其中基材进入喷头前需进行均匀搅拌处理，经喷头处理后采用针刺机构对基材和编织体进行Z向针刺，将基体中短纤维勾连起来并与纤维编织体形成交联结构材料制品于工作台上。7.根据权利要求6所述的一种连续纤维编织体增强纤维复合材料3D打印方法，其特征在于：步骤(5)所述的Z向针刺深度为大于纤维编织体厚度的二分之一且小于编织体厚度。8.根据权利要求7所述的一种连续纤维编织体增强纤维复合材料3D打印方法，其特征在于：所述的3D打印方法包括如下步骤：(1)对碳纤维进行上浆处理，再通过编织工艺将碳纤维制成平纹编织结构，然后使用熔融态PLA树脂对其进行浸渍，制备出连续纤维编织体；(2)按照质量比：将短碳纤维5...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志刚，杨京浩，刘雪强，张长琦，王悦，王明辉，赵宏武，韩洪江，
申请(专利权)人：军事科学院系统工程研究院军需工程技术研究所，
类型：发明
国别省市：