一种用短纤维实现Z向侨联效应的复合材料3D打印装置，包括依次设置的展纱装置、微波处理装置、外部导向轮，超声装置、树脂挤出机、磁场装置、3D打印装置；经展纱装置处理的连续纤维依次经微波处理装置、外部导向轮、树脂挤出机、磁场装置进入3D打印装置；展纱装置由料卷轴、导向轮、包胶轮组、固定板、吹气夹持和吹气管组成；本发明专利技术在打印过程中利用磁场定向短切碳纤维取向，利用旋转磁场，可以有效控制短切碳纤维在树脂中呈螺旋式排布，提高长短纤维共增强复合材料的力学性能。增强复合材料的力学性能。增强复合材料的力学性能。
【技术实现步骤摘要】
一种用短纤维实现Z向侨联效应的复合材料3D打印装置
[0001]本专利技术涉及纤维增强热塑性树脂复合材料
，具体涉及一种用短纤维实现Z向侨联效应的复合材料3D打印装置。
技术介绍
[0002]纤维增强树脂基复合材料由短切的或连续的纤维及其织物与热固性或热塑性树脂基体复合而成，具有高比模量、高比强度、良好的抗疲劳性、抗腐蚀性以及可设计性等优点，已在航空航天、汽车制造、桥梁建筑等各个领域得到广泛应用。
[0003]复合材料的层间破坏强度(包括层间拉伸强度、层间剪切强度及层间断裂韧性)相对于面内破坏而言相对较弱，使用中常引起层间破坏，进而导致整体结构过早地破坏，特别是层间剪切强度较低，是设计中必须注意的问题。
[0004]根据文献(陈雯娜.短切碳纤维增强热塑性复合材料性能影响因素[A].纺织科学研究.2021)中描述，在短切纤维增强热塑性复合材料中，短切纤维的长度和纤维在树脂基体中的排列方向对成型后的样件都有着巨大的影响，中国专利(申请号：202010328297.X，名称为一种高性能纤维增强热塑性树脂基复合材料增材制造方法)采用双层喷嘴，双层喷嘴同时启用外层和内层，增强短纤维通过外层喷嘴投放并给予气流，气流经过内层喷嘴加热块会变成高温热流，此时由于高温热流的作用，增强短纤维便会附着在内层喷嘴挤出的树脂复合材料上，达到提升成形件Z向结合性能的目的，存在缺点是短切纤维是通过高温气流的作用附着在树脂上，在此过程中，短纤维的方向难以控制，且均匀性难以保证，使得复合材料力学性能的一致性和均匀性较差，短切纤维的这种混乱排布，导致短切纤维之间是无法连续传力的，使复合材料的层间强度增强不明显，无法发挥短切纤维增强复合材料层间强度的最大优势。
技术实现思路
[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的是提供一种用短纤维实现Z向侨联效应的复合材料3D打印装置，在打印过程中利用磁场定向短切纤维取向，利用旋转磁场，可以有效控制短切碳纤维在树脂中呈螺旋式排布，提高长短纤维共增强复合材料的力学性能。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种用短纤维实现Z向侨联效应的复合材料3D打印装置，包括依次设置的展纱装置、微波处理装置7、外部导向轮8，超声装置9、树脂挤出机11、磁场装置12、3D打印装置13；经展纱装置处理的连续纤维依次经微波处理装置7、外部导向轮8、树脂挤出机11、磁场装置12进入3D打印装置13；
[0008]所述的展纱装置由料卷轴1、导向轮2、包胶轮组5、固定板6、吹气夹持4和吹气管3组成，料卷轴1上的连续纤维经过导向轮2的初次导向后穿过包胶轮组5，包胶轮组5与吹气夹持4夹持的吹气管3安装在固定板6上，吹气夹持4和吹气管3位于包胶轮组5的上方，当连
续纤维穿过包胶轮组5时，吹气管3处气流垂直作用于连续纤维束宽度方向，实现连续纤维束分散。
[0009]所述的微波处理装置7发出的微波电场方向垂直作用于连续纤维长度方向，使得连续纤维表面的沟槽加深。
[0010]所述的超声装置9连接在外部导向轮8的固定底板上，超声装置9的超声振子带动外部导向轮8一起高频振动，当连续纤维在树脂挤出机11熔池中与树脂接触时，这种高频振动会使更多的树脂进入连续纤维内部，再经过树脂挤出机11出口的压力，实现对连续纤维内部的充分浸润。
[0011]所述的树脂挤出机11右侧尾部是短切碳纤维和树脂粉末的进料口，中间部分有一根螺杆，螺杆将短切碳纤维和树脂粉末输送到熔池中，树脂粉末进入熔池后会变成熔融状态树脂，此时从左侧上部进入的连续纤维会与熔融树脂和短切碳纤维包裹在一起。
[0012]所述的磁场装置12包括空心轴1207，空心轴1207上端连接有磁铁固定装置1201，磁铁固定装置1201上固定有磁铁1202；空心轴1207下端与轴承1209配合并安装在轴承底座1210上；空心轴1207中部与从动锥齿轮1208配合连接，从动锥齿轮1208和主动锥齿轮1206啮合，主动锥齿轮1206通过和减速器1204输出轴连接，减速器1204支撑在固定支架1205上，减速器1204输入轴和驱动电机1203连接。
[0013]所述的磁场装置12安装在树脂挤出机11的出口处，当给磁铁1202通电后，便形成了一个磁场，此时从树脂挤出机11出口处刚挤出的复合丝材14，因为磁场的作用，短切碳纤维的取向变发生改变；且通过传感器10的监测，对树脂挤出机11挤出速度进行调节来适应磁场旋转速度，保证短切碳纤维在树脂中螺旋排布的均匀性。
[0014]复合丝材在磁场装置12的旋转运动和树脂挤出机11的挤出运动，呈螺旋状在树脂基体中排布，通过两种运动，实现对短切碳纤维取向的控制。
[0015]磁场处理后的复合丝材14经3D打印装置13打印出所设计的样件，中间圆柱抽象为连续纤维1401，外圈的螺旋抽象为螺旋排布的短切碳纤维1402，实现中心为连续纤维1401，短切碳纤维1402的树脂包裹在连续纤维1401外的纤维束，在层内与层间形成“短切碳纤维1402树脂
‑
连续纤维1401
‑
短切碳纤维1402树脂”的结构，然后由线到面到体逐步堆积，最后完成样件打印。
[0016]与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：
[0017](1)通过外部导向轮上安装的超声装置的设计，连续纤维在熔池中与树脂接触时，由于超声振子的振动，可使更多树脂进入纤维内部，提高纤维的浸润性。
[0018](2)短切碳纤维在树脂中方向可控，通过树脂挤出机出口处旋转磁场的设计，使短切碳纤维的取向的得到控制，提高复合材料层间性能。
[0019](3)基于磁定向短纤维增强树脂的复合材料3D打印装置，可以实现预浸丝束的制备及打印，且可以得到连续纤维与短切碳纤维共增强热塑性复合材料，连续纤维提高强度的同时，短切碳纤维增强层间强度。
附图说明
[0020]图1为本专利技术装置的整体结构示意图。
[0021]图2为本专利技术旋转磁场的结构示意图。
[0022]图3为本专利技术最终试件打印效果图。
[0023]图4为本专利技术长短纤维共增强树脂单根丝束的示意图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图及实施例对本专利技术做详细描述。
[0025]如图1所示，一种用短纤维实现Z向侨联效应的复合材料3D打印装置，包括依次设置的展纱装置、微波处理装置7、外部导向轮8，超声装置9、树脂挤出机11、磁场装置12、3D打印装置13；经展纱装置处理的连续纤维依次经微波处理装置7、外部导向轮8、树脂挤出机11、磁场装置12进入3D打印装置13；其中展纱装置由料卷轴1、导向轮2、包胶轮组5、固定板6、吹气夹持4和吹气管3组成，料卷轴1上的连续纤维经过导向轮2的初次导向后穿过V型的包胶轮组5，V型的包胶轮组5与吹气夹持4夹持的吹气管3安装在固定板6上，吹气夹持4和吹气管3位于V型的包胶轮组5的上方，当连续纤维穿过V型的包胶轮组5时，吹气管3处气流垂直作用于本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用短纤维实现Z向侨联效应的复合材料3D打印装置，其特征在于：包括依次设置的展纱装置、微波处理装置(7)、外部导向轮(8)，超声装置(9)、树脂挤出机(11)、磁场装置(12)、3D打印装置(13)；经展纱装置处理的连续纤维依次经微波处理装置(7)、外部导向轮(8)、树脂挤出机(11)、磁场装置(12)进入3D打印装置(13)；所述的展纱装置由料卷轴(1)、导向轮(2)、包胶轮组(5)、固定板(6)、吹气夹持(4)和吹气管(3)组成，料卷轴(1)上的连续纤维经过导向轮(2)的初次导向后穿过包胶轮组(5)，包胶轮组(5)与吹气夹持(4)夹持的吹气管(3)安装在固定板(6)上，吹气夹持(4)和吹气管(3)位于包胶轮组(5)的上方，当连续纤维穿过包胶轮组(5)时，吹气管(3)处气流垂直作用于连续纤维束宽度方向，实现连续纤维束分散。2.根据权利要求1所述的一种用短纤维实现Z向侨联效应的复合材料3D打印装置，其特征在于：所述的微波处理装置(7)发出的微波电场方向垂直作用于连续纤维长度方向，使得连续纤维表面的沟槽加深。3.根据权利要求1所述的一种用短纤维实现Z向侨联效应的复合材料3D打印装置，其特征在于：所述的超声装置(9)连接在外部导向轮(8)的固定底板上，超声装置(9)的超声振子带动外部导向轮(8)一起高频振动，当连续纤维在树脂挤出机(11)熔池中与树脂接触时，这种高频振动会使更多的树脂进入连续纤维内部，再经过树脂挤出机(11)出口的压力，实现对连续纤维内部的充分浸润。4.根据权利要求1所述的一种用短纤维实现Z向侨联效应的复合材料3D打印装置，其特征在于：所述的树脂挤出机(11)右侧尾部是短切碳纤维和树脂粉末的进料口，中间部分有一根螺杆，螺杆将短切碳纤维和树脂粉末输送到熔池中，树脂粉末进入熔池后会变成熔融状态树脂，此时从左侧上部进入的连续纤维会与熔融树脂和短切碳纤维包裹在一起。5.根据权利要求1所述的一种用短纤维实现Z向侨联效应的复合材料3D打印装置，其特征在于：所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：辛志博，陈昱荷，段玉岗，崔维军，刘德义，李旭辉，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。