【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于连续纤维复合材料3d打印领域，更具体的，涉及一种连续纤维复合材料预浸丝3d打印工艺领域。
技术介绍
1、连续纤维复合材料3d打印是涉及到连续纤维复合材料和3d打印的交叉学科领域，可以通过3d打印增材制造工艺实现连续纤维复合材料在特定结构下的一体化成型，在航空航天、机器人、船舶等领域具有广泛的应用前景。目前熔融沉积成型(fdm)是连续纤维复合材料最主要的3d打印成型工艺，根据工艺类型的不同，又可以分为在线预浸和离线预浸两大类。在线预浸是指干纤维持续进入打印头内部，并直接被打印头内部的树脂熔体浸润形成复合材料，在推力作用下挤出打印的一种工艺；而离线预浸指的是预先将干纤维和树脂基体制备为复合材料预浸丝束，再对预浸丝束进行3d打印的一种工艺。相比在线预浸工艺，离线预浸工艺中纤维与树脂的浸润时间更长，预浸效果更好，因此逐渐成为了更加主流的连续纤维复合材料3d打印工艺。
2、然而，目前的离线预浸3d打印工艺仍然存在许多问题：
3、(1)现有的预浸丝束制备过程，一般是将纤维和树脂共同通过一个较窄的口模制备的，这样会导致纤维无法挤压进预浸丝内部，大量聚集在预浸丝的表面，进而导致在3d打印过程中层间与线间的界面结合性能较差。
4、(2)3d打印过程中喷嘴与预浸丝束的表面存在摩擦，容易造成纤维损伤，特别是预浸丝束中纤维大量聚集在表面。
5、(3)3d打印过程中，喷嘴会将预浸丝束从接近圆形挤压到较为扁平的椭圆形，挤压过程会造成纤维产生扭转和弯曲，进而降低结构部件的力学性能。
>技术实现思路
1、为了解决连续纤维复合材料离线预浸3d打印工艺的上述问题，本专利技术提出了一种核壳结构连续纤维复合材料预浸丝及其3d打印工艺。通过特定的预浸丝制备工艺，形成一种特殊的核壳结构连续纤维复合材料预浸丝，其核心部位为连续纤维与树脂基体形成的复合材料区域，外部包裹一层纯树脂外壳区域；针对该种特殊预浸丝，在3d打印过程中使纯树脂外壳熔化而复合材料核心不熔化，实现预浸丝复合材料核心区域变形较小或不变形，纯树脂外壳区域产生较大变形。最终解决上述提到的3d打印结构件层间结合差、纤维损伤、纤维扭转问题。
2、为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
3、一种核壳结构连续纤维复合材料预浸丝，其特征在于，所述预浸丝包含核心区域和外壳区域，核心区域为连续纤维和树脂基体形成的复合材料，外壳区域为纯树脂基体材料，即如图1所示，从预浸丝横截面上看，纤维复合材料101在核心位置，而其周围环绕的纯树脂102在外壳位置。其中核心区域和外壳区域指的是两者之间的相对位置关系，而并不一定是指绝对的同轴关系，即复合材料核心区域可以在周围树脂的绝对中心位置，也可以在绝对中心位置上稍有偏置。另一方面，从预浸丝截面上看，核心区域通常为圆形，也可以为椭圆形、三角形、矩形、六边形、或不规则形状，外壳区域通常为圆环形，也可以为椭圆环形、方环形、不规则环形等其他中间含有空心区域的形状。
4、进一步的，所述核心区域为连续纤维和树脂基体形成的复合材料，其中连续纤维可以为连续碳纤维、连续玻璃纤维、连续芳纶纤维等连续纤维中的一种，而树脂基体一般为加热可熔融的高分子聚合物，所述树脂冷却固化后和所述纤维可以形成连续纤维复合材料，当然如粘度可以满足要求使用超高分子聚合物也符合本专利技术的意图。高分子聚合物其不同于小分子粘结剂，本领域技术人员一般认为小分子粘结粘结剂虽然会增加界面的结合力，但是其本身粘度较低，力学性能较差，导致其本身的使用就会降低复合材料的力学性能，因此当使用小分子粘结剂时其含量一般需要控制在很低的水平。本专利技术所示的高分子聚合物难溶于溶剂中，当其需要浸渍在树脂中，需要加热树脂使得树脂成熔融流动的状态，从而可以浸渍到连续纤维中。外壳区域中的纯树脂可以和核心区域使用的树脂为同一种树脂，树脂牌号可以根据需要不同，在可以增加核心区域和外壳区域的界面结合力的情况下，也可以使用不同种树脂。树脂可以是聚乳酸，尼龙，聚酰亚胺，聚碳酸酯，聚乙烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，聚丙烯，abs，pet，全芳香族树脂如聚醚醚酮等中的一种或者几种的混合物。
5、一种核壳结构连续纤维复合材料预浸丝的3d打印工艺，该工艺适配与上文提到的一种核壳结构连续纤维复合材料预浸丝，其特征在于，首先通过计算得到合适的打印层高和打印线间距，将所述预浸丝插入3d打印机的喷头，喷头加热至合适温度使预浸丝外壳区域纯树脂熔融，而此时核心区域复合材料还未完全熔融，喷头按照设置好的轨迹运动直至结构件3d打印完成。从3d打印完成的结构件的截面上看，预浸丝复合材料核心区域由于在3d打印过程中未完全熔融，因此变形较小或不变形，而纯树脂外壳区域由于在3d打印过程中完全熔融并收到喷头挤压，因此产生较大变形并填充至层间、线间的孔隙区域中。其中“变形较小”指的是核心区域在高度方向(成型面法向)上变形量≤50％、“变形较大”指的是外壳区域变形量与核心区域变形量的相对关系，而非外壳区域变形量的具体数值。
6、进一步的，所述打印层高和打印线间距通过计算得到，打印层高h应该不大于核心区域的直径，打印线间距w通过以下公式计算得出：w＝预浸丝截面积/打印层高h。此处使用“直径”这一描述是因为本专利技术所提到的核心区域一般为圆形，外壳区域一般为圆环形，如果在实施例中为其他形状，则应选择其他对应的特征尺寸进行计算。核心区域直径、外壳区域外直径和其他特征尺寸可以通过对预浸丝截面进行观测得到，观测设备可以是电子显微镜、光学显微镜等设备。
7、进一步的，所述喷头打印温度应足以使外壳区域纯树脂材料熔化，而外壳区域的纯树脂层具有一定的隔热功能，在较快的打印速度下，温度从外壳区域传到核心区域时不足以使复合材料完全熔化。由此实现预浸丝复合材料核心区域变形较小或不变形，而纯树脂外壳区域由于在3d打印过程中完全熔化并收到喷头挤压，因此产生较大变形并填充至层间、线间的孔隙区域中。外壳区域纯树脂材料的熔化温度和核心区域复合材料的熔化温度可以通过差示扫描量热法(dsc)等方法测量得出。
8、本专利技术的有益效果如下：
9、1)本专利技术所提出的一种核壳结构连续纤维复合材料预浸丝，将该预浸丝直接用于3d打印，相比于普通预浸丝来说，连续纤维复合材料3d打印件的层间和线间的结合强度将会大大增强，同时也可以减少3d过程中丝材拖拽等缺陷。
10、2)相比于普通丝材层间纤维与纤维的界面结合，本专利技术层间树脂与树脂的结合会提高3d打印的打印速度，提高打印件的打印效率。
11、3)普通预浸丝在3d打印过程中与会与打印喷嘴存在摩擦，容易造成纤维损伤，而本专利技术提出的核壳结构预浸丝由于存在纯树脂外壳区域，可以对纤维进行有效保护，减少纤维损伤。
12、4)普通预浸丝在3d打印过程中，喷嘴会将预浸丝束从接近圆形挤压到较为扁平的椭圆形，挤压过程会造成纤维产生扭转和弯曲，进而降低结构部件的力学性能。而本专利技术提出的3d打印工艺中，预浸丝复合材料核心区域变形较小或不变形，有效解决纤维扭本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种核壳结构连续纤维复合材料预浸丝，其特征在于：所述预浸丝包含核心区域和外壳区域，核心区域为连续纤维和树脂基体形成的复合材料，外壳区域为纯树脂基体材料，即从预浸丝横截面上看，纤维复合材料在核心位置，而其周围环绕的纯树脂在外壳位置。
2.根据权利要求1所述的一种核壳结构连续纤维复合材料预浸丝，其特征在于：所述核心区域通常为圆形，也可以为椭圆形、三角形、矩形、六边形、或不规则形状，所述外壳区域通常为圆环形，也可以为椭圆环形、方环形、不规则环形或其他中间含有空心区域的形状。
3.根据权利要求1-2所述的一种核壳结构连续纤维复合材料预浸丝，其特征在于：所述连续纤维为连续碳纤维、连续玻璃纤维、连续芳纶纤维中的一种，所述树脂为加热可熔融的高分子聚合物，所述树脂冷却固化后和所述纤维可以形成连续纤维复合材料，所述高分子聚合物为聚乳酸，尼龙，聚酰亚胺，聚碳酸酯，聚乙烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，聚丙烯，ABS，PET，全芳香族树脂如聚醚醚酮中的一种或者几种的混合物。
4.根据权利要求1-3所述的一种核壳结构连续纤维复合材料预浸丝，其特征在于：所述外壳区域中的纯树脂
5.根据权利要求1-4所述的一种核壳结构连续纤维复合材料预浸丝，其特征在于：所述外壳区域中的纯树脂和核心区域使用的树脂，在增加核心区域和外壳区域的界面结合力的情况下，使用不同种树脂。
6.一种核壳结构连续纤维复合材料预浸丝3D打印工艺，其特征在于：首先通过计算得到打印层高H和打印线间距W，将核壳结构连续纤维复合材料预浸丝插入3D打印机的喷头，喷头加热至打印温度，所述打印温度使预浸丝外壳区域纯树脂熔融，所述打印温度使核心区域复合材料未完全熔融，喷头按照设置好的轨迹运动直至结构件3D打印完成。
7.根据权利要求6所述的一种核壳结构连续纤维复合材料预浸丝3D打印工艺，其特征在于：所述打印层高H和打印线间距W通过计算得到，打印层高H不大于核心区域的直径，打印线间距W通过以下公式计算得出：W＝预浸丝截面积/打印层高H。
8.根据权利要求6-7所述的一种核壳结构连续纤维复合材料预浸丝3D打印工艺，其特征在于：所述喷头打印温度应满足使外壳区域纯树脂材料熔化，而核心区域复合材料不完全熔化。
9.根据权利要求6-8所述的一种核壳结构连续纤维复合材料预浸丝3D打印工艺，其特征在于：所述3D打印结构件，丛截面上看，预浸丝复合材料核心区域在高度方向上变形量≤50％，所述纯树脂外壳区域产生较大变形并填充至层间、线间的孔隙区域中。
...【技术特征摘要】
1.一种核壳结构连续纤维复合材料预浸丝，其特征在于：所述预浸丝包含核心区域和外壳区域，核心区域为连续纤维和树脂基体形成的复合材料，外壳区域为纯树脂基体材料，即从预浸丝横截面上看，纤维复合材料在核心位置，而其周围环绕的纯树脂在外壳位置。
2.根据权利要求1所述的一种核壳结构连续纤维复合材料预浸丝，其特征在于：所述核心区域通常为圆形，也可以为椭圆形、三角形、矩形、六边形、或不规则形状，所述外壳区域通常为圆环形，也可以为椭圆环形、方环形、不规则环形或其他中间含有空心区域的形状。
3.根据权利要求1-2所述的一种核壳结构连续纤维复合材料预浸丝，其特征在于：所述连续纤维为连续碳纤维、连续玻璃纤维、连续芳纶纤维中的一种，所述树脂为加热可熔融的高分子聚合物，所述树脂冷却固化后和所述纤维可以形成连续纤维复合材料，所述高分子聚合物为聚乳酸，尼龙，聚酰亚胺，聚碳酸酯，聚乙烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，聚丙烯，abs，pet，全芳香族树脂如聚醚醚酮中的一种或者几种的混合物。
4.根据权利要求1-3所述的一种核壳结构连续纤维复合材料预浸丝，其特征在于：所述外壳区域中的纯树脂和核心区域使用的树脂为同一种树脂，所述同一种树脂，树脂牌号可以根据需要不同。
5.根据权利要求1-4所述的一种核壳结构连...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱伟军，张志坤，张莹莹，付龙，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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