一种连续纤维增强树脂基复合材料3D打印末端及打印方法技术

本发明专利技术为一种连续纤维增强树脂基复合材料3D打印末端及打印方法，包括末端平台、第一料筒、共混喷头、第二料筒、第二纤维喷头、电感线圈和加压螺杆；第一料筒安装在末端平台的下部，共混喷头安装在第一料筒的下端，第一料筒的外壁上环绕有电感线圈；加压螺杆转动安装在第一料筒内，通过加压螺杆的转动将熔融树脂输送至熔融共混腔的中部，连续纤维从加压螺杆中心的通孔中通过，在经过熔融共混腔的中部时与熔融树脂进行加压共混，最后从共混喷头中挤出；第二料筒安装在末端平台的下部，第二纤维喷头安装在第二料筒的下端，第二料筒的外壁上环绕有电感线圈，另外的连续纤维在第二料筒内加热后从第二纤维喷头挤出。提高了连续纤维与熔融树脂间的浸润程度，树脂层的内部和层间均具有连续纤维，提高了制品的强度和力学性能。提高了制品的强度和力学性能。提高了制品的强度和力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种连续纤维增强树脂基复合材料3D打印末端及打印方法


[0001]本专利技术属于纤维增强复合材料3D打印
，具体涉及一种连续纤维增强树脂基复合材料3D打印末端及打印方法。

技术介绍

[0002]纤维增强复合材料因其轻质、高强及抗疲劳等特点，已作为新一代结构材料被广泛应用于生物医疗、航空航天等领域。3D打印成形技术实现了连续纤维增强复合材料的低成本和快速制备，已经成为加工复杂异形构件的重要手段，具有广阔的应用前景。
[0003]目前，连续纤维增强复合材料3D打印主要是基于熔融沉积成形(FDM)技术，根据原料处理以及结构形式的不同，可以分为两大类，一类是“双挤出”工艺，原理参见图1，将预浸渍连续纤维与树脂基体分别送入不同的打印头，通过两个喷嘴将连续纤维直接嵌入树脂层之间，“双挤出”工艺单独沉积树脂基体可以提高试件的表面质量，并在一定程度上降低因纤维最小弯曲半径导致的孔隙率。但是，“双挤出”工艺只是在树脂层之间嵌入连续纤维，连续纤维作为层间增强纤维，而树脂层内部并不含有连续纤维，导致制件的强度有限，力学性能较差。
[0004]另一类是“共挤出”工艺，将聚合物丝材和连续纤维送入FDM热熔腔，聚合物丝材经加热后与连续纤维浸润，并从喷头挤出，按预设规划路径完成打印，实现复合材料制备与成形一体化，该成形工艺的优点在于工艺流程简单、可快速成形。现有的“共挤出”工艺只是在热熔腔内实现树脂与连续纤维的简单浸渍后直接挤出在成型平台上，只在连续纤维的外侧包裹一层树脂，而树脂并未浸入到连续纤维内部，由于熔融树脂和连续纤维浸润程度不足，导致制件内部产生大量气孔、层间孔隙等缺陷，同时在打印过程中连续纤维在弯折处的纤维结合力弱，纤维易断裂，降低了成形质量较差，制件的强度达不到预期设计，甚至导致打印失败。尤其是在高粘度树脂以及快速打印情形下，“共挤出”工艺的缺点尤为明显，纤维束内很难被熔融树脂充分浸润，导致制件力学性能明显低于理论值。此外，“共挤出”工艺无法在树脂层间嵌入连续纤维，制件的纤维含量低，使得力学性能无法满足要求。
[0005]综上，本专利技术提出一种连续纤维增强树脂基复合材料3D打印末端及打印方法，改进了纤维与树脂的共混方式和纤维铺放方式，使得树脂层内部和层间均含有连续纤维，提高了制件的强度和力学性能。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种连续纤维增强树脂基复合材料3D打印末端及打印方法。
[0007]本专利技术解决所述技术问题采用如下的技术方案：
[0008]一种连续纤维增强树脂基复合材料3D打印末端，包括末端平台、第一料筒、共混喷头、第二料筒、第二纤维喷头和电感线圈；其特征在于，该打印末端还包括加压螺杆；
[0009]所述第一料筒安装在末端平台的下部，第一料筒的内腔为熔融共混腔，共混喷头
安装在第一料筒的下端，第一料筒的外壁上环绕有电感线圈，聚合物丝材在熔融共混腔的上部熔融，得到熔融树脂；加压螺杆转动安装在第一料筒内，通过加压螺杆的转动将熔融树脂输送至熔融共混腔的中部，连续纤维从加压螺杆中心的通孔中通过，在经过熔融共混腔的中部时与熔融树脂进行加压共混，使连续纤维的外部包裹一层树脂同时熔融树脂浸润至连续纤维内部，最后从共混喷头中挤出；第二料筒安装在末端平台的下部，第二纤维喷头安装在第二料筒的下端，第二料筒的外壁上环绕有电感线圈，另外的连续纤维在第二料筒内加热后从第二纤维喷头中挤出。
[0010]进一步的，所述熔融共混腔由上至下分为加热段、加压段和挤出段，加热段的直径大于挤出段的直径，加压段的直径从与加热段等径渐缩至与挤出段等径；
[0011]所述加压螺杆包括螺杆本体、第一螺纹柱、连接柱和第二螺纹柱；螺杆本体与第一料筒转动连接，第一螺纹柱安装在螺杆本体下端且位于熔融共混腔加热段的下部；第二螺纹柱位于第一螺纹柱下方且通过连接柱与第一螺纹柱连接，第二螺纹柱位于熔融共混腔挤出段的上部，熔融树脂能够从第一螺纹柱和第二螺纹柱的螺纹槽内流过。
[0012]进一步的，所述第一螺纹柱的螺距大于第二螺纹柱的螺距。
[0013]进一步的，所述打印末端还包括送料机构；送料机构包括步进电机、小齿轮、大齿轮、同步带、同步带轮、压紧板、压紧弹簧、滚轮带、滚轮和齿轮箱；齿轮箱安装在末端平台的上部，步进电机安装在齿轮箱的侧面，小齿轮位于步进电机的输出轴上，大齿轮通过一个连接轴安装在齿轮箱内，大齿轮与小齿轮啮合；一个同步带轮与大齿轮同轴安装，另一个同步带轮通过另一个连接轴安装在齿轮箱内，同步带套装在两个同步带轮上；压紧弹簧的一端嵌在压紧板的上端，另一端与齿轮箱连接，压紧板的下端与齿轮箱转动连接；两个滚轮间隔安装在压紧板的侧面，滚轮带套装在两个滚轮上。
[0014]进一步的，所述打印末端还包括剪丝机构；剪丝机构包括夹持板、第一U型切刀、电动推杆和第二U型切刀；夹持板夹持在共混喷头和第二纤维喷头的下部，第一U型切刀和第二U型切刀分别与夹持板转动连接，两个电动推杆与夹持板连接，一个电动推杆的伸缩端与第一U型切刀连接，另一个电动推杆的伸缩端与第二U型切刀连接。
[0015]进一步的，所述第一料筒上设有溢流阀，第一料筒的外壁上安装有温度传感器。
[0016]一种连续纤维增强树脂基复合材料3D打印方法，包括以下内容：
[0017]聚合物丝材被输送至第一料筒的熔融共混腔上部并在电感线圈的加热下熔融，得到熔融树脂；加压螺杆转动将熔融树脂输送到熔融共混腔的中部；连续纤维从加压螺杆的通孔中通过，在经过熔融共混腔的中部时与熔融树脂进行加压共混，然后从共混喷头挤出，形成共混层；
[0018]第二纤维被输送至第二料筒内进行加热，然后从第二纤维喷头挤出；在打印过程中，共混喷头与第二纤维喷头沿同一路径运动，第二纤维喷头位于共混喷头后方，另外的连续纤维从第二纤维喷头中挤出后，铺设在共混层上；当共混喷头和第二纤维喷头脱离打印基体时，两条连续纤维被剪断，完成连续纤维增强复合材料的3D打印，得到打印构件。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0020]1.针对现有热塑性树脂基复合材料3D打印成形时纤维含量较低，难以对连续纤维实现有效浸润而造成纤维与树脂基体结合强度低，打印构件力学性能较差、弯折处纤维结合力弱、易断裂等问题，本专利技术改进了纤维与树脂的共混方式和纤维铺放方式，利用加压螺
杆将熔融树脂从熔融共混腔的加热段输送至加压段，通过加压共混方式实现连续纤维与熔融树脂的共混，不仅在连续纤维的外侧包裹一层树脂，而且熔融树脂填充到连续纤维内部，提高了连续纤维与熔融树脂间的浸润程度，减小了连续纤维内部的孔隙，避免打印构件内部出现大量气孔等缺陷，提高了表面质量以及构件的力学性能。
[0021]2.加压螺杆转动带动熔融树脂做旋转运动，使连续纤维呈紧密螺旋缠绕状，提高了打印构件的承载能力，熔融树脂在连续纤维中各处分布均匀，提高了打印构件的力学性能；不仅共混层内部含有连续纤维，而且在相邻共混层之间也铺设连续纤维，作为共混层的层间增强本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连续纤维增强树脂基复合材料3D打印末端，包括末端平台、第一料筒、共混喷头、第二料筒、第二纤维喷头和电感线圈；其特征在于，该打印末端还包括加压螺杆；所述第一料筒安装在末端平台的下部，第一料筒的内腔为熔融共混腔，共混喷头安装在第一料筒的下端，第一料筒的外壁上环绕有电感线圈，聚合物丝材在熔融共混腔的上部熔融，得到熔融树脂；加压螺杆转动安装在第一料筒内，通过加压螺杆的转动将熔融树脂输送至熔融共混腔的中部，连续纤维从加压螺杆中心的通孔中通过，在经过熔融共混腔的中部时与熔融树脂进行加压共混，使连续纤维的外部包裹一层树脂同时熔融树脂浸润至连续纤维内部，最后从共混喷头中挤出；第二料筒安装在末端平台的下部，第二纤维喷头安装在第二料筒的下端，第二料筒的外壁上环绕有电感线圈，另外的连续纤维在第二料筒内加热后从第二纤维喷头中挤出。2.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂基复合材料3D打印末端，其特征在于，所述熔融共混腔由上至下分为加热段、加压段和挤出段，加热段的直径大于挤出段的直径，加压段的直径从与加热段等径渐缩至与挤出段等径；所述加压螺杆包括螺杆本体、第一螺纹柱、连接柱和第二螺纹柱；螺杆本体与第一料筒转动连接，第一螺纹柱安装在螺杆本体下端且位于熔融共混腔加热段的下部；第二螺纹柱位于第一螺纹柱下方且通过连接柱与第一螺纹柱连接，第二螺纹柱位于熔融共混腔挤出段的上部，熔融树脂能够从第一螺纹柱和第二螺纹柱的螺纹槽内流过。3.根据权利要求2所述的连续纤维增强树脂基复合材料3D打印末端，其特征在于，所述第一螺纹柱的螺距大于第二螺纹柱的螺距。4.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂基复合材料3D打印末端，其特征在于，所述打印末端还包括送料机构；送料机构包括步进电机、小齿轮、大齿轮、同步带、同步带轮、压紧板、压紧弹簧、滚轮带、滚轮和齿轮箱；齿轮箱安装在末端...

【专利技术属性】
技术研发人员：程立金，张雨奥，胡宁，赵丽滨，王穗宁，梁仲行，沙博宇，梁心晔，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：