一种连续纤维增强热塑性树脂基复合材料丝材成形装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于增材制造的连续纤维增强树脂基复合材料丝材成形装置。所述连续纤维增强树脂基丝材成形装置包括展丝预热模块、熔融浸渍模块、冷却及收卷机构。所述展丝预热模块设有超声辅助辊轴展丝及从动热轧辊，所述熔融浸渍模块设有进出口导向辊、凹槽浸渍通道、分布式熔体压力传感器、张力辊及可调控多级熔体分配流道，所述冷却及收卷机构包括喷淋冷却装置、风刃、张力辊、气动对辊及收卷机。本发明专利技术可使连续纤维束在熔融浸渍过程中充分展开，提升纤维和树脂的浸渍质量；通过动态调控纤维张力及流道内熔体压力，减少纤维磨损，实现树脂对纤维的快速浸渍和均匀包覆，最终实现高性能连续纤维复合材料丝材的持续生产。高性能连续纤维复合材料丝材的持续生产。高性能连续纤维复合材料丝材的持续生产。

【技术实现步骤摘要】
一种连续纤维增强热塑性树脂基复合材料丝材成形装置


[0001]本专利技术属于连续纤维增强热塑性树脂基复合材料领域，具体涉及一种用于连续纤维增强热塑性树脂基复合材料3D打印丝材成形装置。

技术介绍

[0002]连续纤维树脂基复合材料作为一种新型、高性能材料，目前正广泛应用于航空航天、风力发电、轨道交通等领域，并在民用领域也有着广阔的应用前景。在环境保护需求的背景下，高性能连续纤维增强热塑性树脂基复合材料以其材料可回可再加工、环境友好成为日前研究的重点。其中，连续纤维增强热塑性树脂基复合材料3D打印技术的结构可设计性强、近成形率高等特点使其成为小批量、复杂构型的连续纤维增强热塑性树脂基复合材料构件优势技术。相较于传统树脂基复合材料，3D打印成形构件存在层间粘结较差，纤维浸渍效果差，纤维体积分数较低等问题，采用熔融浸渍技术制备丝材进行连续纤维3D打印可有效解决上述问题，但传统熔融浸渍工艺存在丝材未充分展开导致浸渍效果较差，流道内树脂分布不均匀引起产品质量差，生产过程中易发生断丝等问题。此外，高温热塑性树脂的高粘性、高熔体温度也给丝材成形设备提出较大挑战。因此，设计出高效稳定的浸渍系统成为本领域的重点和难点。
[0003]已公开的一些用于制备连续纤维增强热塑性树脂复合材料浸渍装置如：公开号为CN 102848489 A专利申请中公开了连续长纤维增强热塑性树脂成形用的熔融浸渍机头及方法，机头内设有熔体分配流道和浸渍流道，熔体分配流道的各个出料口通过出料辊与浸渍流道连接，但分配流道无反馈控制，难以确保实际浸渍情况；公开号为CN 103770241 A专利申请中公开一种连续长纤维增强热塑性树脂的双面熔融浸渍方法及设备，其方法是先对连续长纤维进行预分散和预加热，再通过双面分配流道进行全面包裹和浸润，进行纤维再分散处理后送出纤维通道，但开放式浸渍流道难以保证浸渍压力；公开号为CN 111186138 B专利申请中公开了一种连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置及方法，连续纤维束先经过预张紧辊进行预分散，红外辐射装置对连续纤维的上下表面进行预热，预热好的的连续纤维在气辅摆动装置作用下展开一定的宽度，随后进入到丝材浸润模具内，在波浪形流道的作用下完成树脂基体对纤维束的浸润过程，但流道内无张力控制，易发生断丝或浸渍不均匀，产品质量控制较差。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的缺陷或改进需求，本专利技术提供了一套用于连续纤维增强热塑性树脂基复合材料丝材成形装置。
[0005]为实现前述技术问题，本专利技术的技术方案为：
[0006]一种连续纤维增强热塑性树脂基复合材料丝材成形装置，包括依次设置的放丝辊轴、超声辅助展丝预热模块、熔融浸渍模块、喷淋冷却装置、第一张力辊、气动对辊、收卷装置；展丝辊轴上方配有熔融浸渍模块包括分别位于两端的进口导向辊、出口导向辊、位于进
口导向辊及出口导向辊之间的浸渍流道及一组第二张力辊，所述浸渍流道为至少三个交错导向辊构成的的S弯形流道，第二张力辊位于浸渍流道下游；该熔融浸渍模块的入口位置、出口位置、浸渍流道中部位置各设置至少一组压力传感器；熔融浸渍模块侧部设有螺杆挤出机及可调控多级熔体分配流道。
[0007]进一步的，超声辅助展丝预热模块设有至少四组展丝辊轴，展丝辊轴上方配有超声发生装置用以与展丝辊轴运作同步进行辅助展丝，通过超声带动辊轴及表面纤维振动，展丝辊轴后设有至少一组从动热压辊。
[0008]进一步的，超声辅助展丝预热模块采用60～400℃从动热压辊对纤维束进行去浆及预热处理，其中，展丝辊轴设置为60℃进行初步预热，从动热压辊温度根据丝材表面上浆剂种类设置，对丝材进行热处理去浆及预热。
[0009]进一步的，熔融浸渍模块中的进口导向辊及出口导向辊均为耐高温滚珠轴承，且该滚珠轴承表面设置斜面凹槽。
[0010]进一步的，所述可调控多级熔体分配流道包括一级熔体分配流道及二级熔体分配流道；一级熔体分配流道与螺杆挤出机连通；二级熔体分配流道与一级熔体分配流道及浸渍流道内部连通；每个二级熔体分配流道的输入端各配有一个阀门用于熔体分配调控。
[0011]进一步的，熔融浸渍模块中的压力传感器与可调控多级熔体分配流道形成闭环控制用以动态调节流道内熔体压力。
[0012]进一步的，喷淋装置采用循环水冷喷淋冷却并配有风刃进行干燥处理。
[0013]进一步的，所述从动热轧辊为一组转动方向相反、并排设置且与纤维运动方向垂直的两个从动加热辊。
[0014]与现有连续纤维热塑性树脂基复合材料丝材成形设备相比，本专利技术的优点在于：采用低频超声辅助传统机械辊轴展丝，提高展丝效率、通过热辊热压对纤维进行预热处理，同时除去表面部分上浆剂增强浸渍效果。入口及出口处的导向辊轴组使纤维出入浸渍模块时保持水平，减少与模嘴尖锐部分的摩擦，避免纤维在模嘴处断裂，使连续纤维熔融浸渍可在高浸渍速度下连续运行，浸渍模块内的第二张力辊的布置一方面可防止收卷装置过拉伸引起的丝材拉断，另一方面为浸渍过程提供稳定的张力，有利于提升丝材浸渍质量。可调控多级熔体分配避免了熔体集中于一端而导致实际浸渍过程较短的问题。
附图说明
[0015]图1为本专利技术丝材成形设备的垂直横截面图。
[0016]图2为本专利技术熔融浸渍模块的水平横截面图。
具体实施方式
[0017]下面结合具体实施方式和附图对本专利技术作进一步说明。
[0018]如图1所示，本专利技术提供一种连续纤维增强热塑性树脂基复合材料丝材成形装置，用于复合丝材的制备。该成型装置包括依次设置的放丝辊轴1、超声辅助展丝预热模块2、熔融浸渍模块3、喷淋冷却装置4、第一张力辊5、气动对辊6、收卷装置7。
[0019]请结合图1及图2所示，所述熔融浸渍模块2包括分别位于两端的进口导向辊302、出口导向辊305、位于进口导向辊302及出口导向辊305之间的浸渍流道303及一组第二张力
辊304、用以引出丝材的模嘴310。所述浸渍流道303为至少三个交错导向辊311构成的的S弯形流道。第二张力辊304位于浸渍流道303下游。熔融浸渍模块3的入口位置、出口位置、浸渍流道303中部位置各设置至少一组压力传感器301。熔融浸渍模块侧部设有螺杆挤出机306及可调控多级熔体分配流道。该可调控多级熔体分配流道包括一级熔体分配流道308及二级熔体分配流道309。一级熔体分配流道308与螺杆挤出机306连通。二级熔体分配流道309与一级熔体分配流道308及浸渍流道内部连通。所述螺杆挤出机306连接一个树脂粒料投放口307，用以将树脂粒料输入至可调控多级熔体分配流道。每个二级熔体分配流道309的输入端各配有一个阀门用于熔体分配调控。熔融浸渍模块3中的压力传感器301与可调控多级熔体分配流道形成闭环控制用以动态调节浸渍流道303内熔体压力。在本实施方式的熔融浸渍模块3中，进口导向辊302及出口导向辊305均为耐高温滚珠轴承，且该滚珠轴承表面设置斜面凹槽，且该表面中的平面长5～10mm，斜面长5～10mm，斜面角度15～25本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连续纤维增强热塑性树脂基复合材料丝材成形装置，其特征在于，包括依次设置的放丝辊轴、超声辅助展丝预热模块、熔融浸渍模块、喷淋冷却装置、第一张力辊、气动对辊、收卷装置；展丝辊轴上方配有熔融浸渍模块包括分别位于两端的进口导向辊、出口导向辊、位于进口导向辊及出口导向辊之间的浸渍流道及一组第二张力辊，所述浸渍流道为至少三个交错导向辊构成的S弯形流道，第二张力辊位于浸渍流道下游；该熔融浸渍模块的入口位置、出口位置、浸渍流道中部位置各设置至少一组压力传感器；熔融浸渍模块侧部设有螺杆挤出机及可调控多级熔体分配流道。2.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性树脂基复合材料丝材成形装置，其特征在于，超声辅助展丝预热模块设有至少四组展丝辊轴，展丝辊轴上方配有超声发生装置用以与展丝辊轴运作同步进行辅助展丝，通过超声带动辊轴及表面纤维振动，展丝辊轴后设有至少一组从动热压辊。3.根据权利要求2所述的连续纤维增强热塑性树脂基复合材料丝材成形装置，其特征在于，超声辅助展丝预热模块采用60～400℃从动热压辊对纤维束进行去浆及预热处理，其中，展丝辊轴设置为60℃进行初步预热，从动热压辊温度根据丝材表面上浆剂种类设置，对丝材进行热处理去浆及预热。4.根据权利要求1所述的连续纤维增强...

【专利技术属性】
技术研发人员：单忠德，王靖轩，范聪泽，宋文哲，刘琳，张蕾，刘东榕，
申请(专利权)人：山东中康国创先进印染技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：