CN104441658A - 一种连续纤维增强智能复合材料3d打印头及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种连续纤维增强智能复合材料3D打印头，包括3D打印头支座，3D打印头支座与3D打印头桁架连接，3D打印头桁架中间连接有喉管，喉管两端分别与散热架与加热块连接，散热架和热塑性基体材料连接，热塑性基体材料通过散热架与喉管形成的第一内孔道，加热块上连接有针管、铜嘴、加热管、热敏传感器，连续纤维束通过针管与铜嘴形成的第二内孔道，连续纤维束与熔融状态下的热塑性基体材料在铜嘴前端复合在一起，并从铜嘴出口被挤出，实现具有复杂结构的复合材料零件的快速制造。

Description

一种连续纤维增强智能复合材料3D打印头及其使用方法

技术领域

本发明涉及纤维增强复合材料3D打印技术领域，具体涉及一种连续纤维增强智能复合材料3D打印头及其使用方法。

背景技术

连续纤维增强复合材料制造的零件具有比强度高，比模量大，材料性能具有可设计性，抗腐蚀性和耐久性能好等优点，已经成为现代工业，尤其是航天航空、国防军事、汽车赛车、机器人和医疗领域的一种重要的结构用材，其发展十分迅速。目前先进的连续纤维增强复合材料零件制造的方式多采用复合材料纤维铺放技术，即按零件结构所确定的铺层方向和铺层厚度要求，采用多自由度的铺放头将多组纤维预浸纱束或窄带自动铺放在模具表面。而智能纤维的出现，更为纤维增强复合材料增加了智能特性。智能纤维是指能够感知环境的变化或刺激，如机械、热、化学、光、湿度、电和磁等，并能够做出判断并进行适当处理的，本身具有可执行能力的纤维，它主要包含传感器、执行器和可能含有的中央处理器，从而使它具有传感、执行、调节适应的功能。

3D打印技术是指打印头在程序控制下，按照当前层的截面信息进行材料填充制造，然后再通过层层累加快速制造出所需零件，由于其可制造任意复杂零件以及拥有较好的打印自由度，在工业生产及日常生活中越来越具有实际应用价值。

然而，目前，在所提领域中出现了以下三个问题：

一、虽然智能纤维的出现与发展已经有一段时间了，但是，其依旧没有很好地被应用到产业化的工业生活，其主要原因在于其利用形式的欠缺；

二、在传统复合材料纤维铺放技术中，需要采用预先处理完成的纤维预浸料以及成本极高的模具，不适合具有复杂结构的连续纤维增强零件批量制造，也会对智能纤维利用造成困扰；

三、在国内外也少见可以实现纤维增强复合材料零件制造的3D打印机及相关研究工作，更未发现成熟的连续纤维增强复合材料3D打印相关装置，因此这大大限制了3D打印技术在纤维增强复合材料零件制造领域的发展。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种连续纤维增强智能复合材料3D打印头及其使用方法，可以很好地用热塑性基体材料将连续纤维包覆其中，并直接挤出连续纤维增强复合材料丝材，实现边挤出复合材料丝材边进行3D打印成型零件。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种连续纤维增强智能复合材料3D打印头，包括3D打印头支座1，3D打印头支座1与3D打印头桁架2连接，3D打印头桁架2中间连接有喉管3，喉管3两端分别与散热架5的内螺纹与加热块9的内螺纹连接，散热架5和热塑性基体材料8连接，散热架5与喉管3形成第一内孔道，热塑性基体材料8从第一内孔道穿过；

加热块9上连接有针管11、铜嘴12、加热管13、热敏传感器15，针管11与铜嘴12形成第二内孔道，连续纤维束16从第二内孔道穿过，其中，连续纤维束16是碳纤维、玻璃纤维、聚芳酰胺纤维或智能纤维中的单一纤维，或是它们其中几种复合在一起的纤维束。

所述3D打印头的使用方法，包括下列步骤：

1)将3D打印头通过3D打印头支座1安装到3D打印机中，并装入热塑性基体材料8与连续纤维16，为加热管13与热敏传感器15提供电源；

2)热塑性基体材料8通过散热架5与喉管3形成的第一内孔道，在加热管13加热熔融下，进入到加热块9中的铜嘴12里；

3)碳纤维、玻璃纤维、聚芳酰胺纤维、智能纤维中的一种或多种在3D打印头外复合形成连续纤维束16，并送入到3D打印头中；

4)连续纤维束16通过针管11与铜嘴12形成的第二内孔道，与熔融状态下的热塑性基体材料8在铜嘴12前端复合在一起，并从铜嘴12出口被挤出；

5)随着3D打印机的打印过程，连续纤维增强材料按照3D打印方法成型零件。

采用本发明所提出的3D打印头及其使用方法，可以很好地将连续纤维用热塑性基体材料包覆起来，并挤出成复合材料丝材，丝材中可以拥有智能纤维，而且，在挤出复合材料的同时，可以利用3D打印技术直接利用材料成型零件，因此，可以更加精确地控制所制造零件中增强纤维的方向，更容易得到具有定制性能的复合材料零件，可实现具有复杂结构的复合材料零件的快速制造，且打印出来的零件可以通过控制软件使其具有能够自诊断、自传感、自处理的智能特性。

附图说明

图1是本发明3D打印头整体结构示意图。

图2是本发明3D打印头内部结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参照图1，一种连续纤维增强智能复合材料3D打印头，包括3D打印头支座1，3D打印头支座1与3D打印头桁架2连接，3D打印头桁架2中间连接喉管3，桁架紧定螺钉4将喉管3紧固在3D打印头桁架2上，喉管3两端分别与散热架5的内螺纹与加热块9的内螺纹连接，散热架5和热塑性基体材料8连接，散热架5与喉管3形成第一内孔道，热塑性基体材料8从第一内孔道穿过；

参照图2，加热块紧定螺钉10将喉管3紧固在加热块9上，加热块9上连接有针管11、铜嘴12、加热管13、热敏传感器15，加热管紧定螺钉14将加热管13紧固在加热块9上，针管11与铜嘴12形成第二内孔道，连续纤维束16从第二内孔道穿过，连续纤维束16是碳纤维、玻璃纤维、聚芳酰胺纤维或智能纤维中的单一纤维，或是它们其中几种复合在一起的纤维束。

所述3D打印头的使用方法，包括下列步骤：

参照图1，将3D打印头通过3D打印头支座1安装到3D打印机中，并装入热塑性基体材料8与连续纤维16，为加热管13与热敏传感器15提供电源；

1)参照图2，热塑性基体材料8通过橡胶内垫7、接口6、散热架5与喉管3形成的内孔道，在加热管13加热熔融下，进入到加热块9中的铜嘴12里；

2)参照图2，碳纤维、玻璃纤维、聚芳酰胺纤维、智能纤维中的一种或多种在3D打印头外复合形成连续纤维束16，并送入到3D打印头中；

3)参照图2，连续纤维束16通过针管11与铜嘴12形成的第二内孔道，与熔融状态下的热塑性基体材料8在铜嘴12前端复合在一起，并从铜嘴12出口被挤出；

4)随着3D打印机的打印过程，连续纤维增强材料按照3D打印方法成型零件。

本发明提供了一种连续纤维增强智能复合材料3D打印头及其使用方法，可以很好地将连续纤维用热塑性基体材料包覆起来，并挤出成复合材料丝材，丝材中可以拥有智能纤维，而且，在挤出复合材料的同时，可以利用3D打印技术直接利用材料成型零件。可以看出，本发明很好地为3D打印技术与纤维增强复合材料成型技术的结合提供了一个实现渠道，可以很好地控制成型方向，实现了连续纤维增强复合材料的3D打印，该过程中无需预先定制的模具以及预先处理过的纤维预浸带，大大降低了成本，也降低了工艺复杂度，同时，采用3D打印的方法，可以更加精确地控制所制造零件中增强纤维的方向，更容易得到具有定制性能的复合材料零件，可实现具有复杂结构的复合材料零件的快速制造；同时打印出来的零件可以具有智能特性，能够更好地适应环境的变化。

Claims (2)

1.一种连续纤维增强智能复合材料3D打印头，包括3D打印头支座(1)，其特征在于：3D打印头支座(1)与3D打印头桁架(2)连接，3D打印头桁架(2)中间连接有喉管(3)，喉管(3)两端分别与散热架(5)的内螺纹与加热块(9)的内螺纹连接，散热架(5)和热塑性基体材料(8)连接，散热架(5)与喉管(3)形成第一内孔道，热塑性基体材料(8)从第一内孔道穿过；

加热块(9)上连接有针管(11)、铜嘴(12)、加热管(13)、热敏传感器(15)，针管(11)与铜嘴(12)形成第二内孔道，连续纤维束(16)从第二内孔道穿过，其中，连续纤维束(16)是碳纤维、玻璃纤维、聚芳酰胺纤维或智能纤维中的单一纤维，或是它们其中几种复合在一起的纤维束。

2.根据权利要求1所述3D打印头的使用方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)将3D打印头通过3D打印头支座(1)安装到3D打印机中，并装入热塑性基体材料(8)与连续纤维(16)，为加热管(13)与热敏传感器(15)提供电源；

2)热塑性基体材料(8)通过散热架(5)与喉管(3)形成的第一内孔道，在加热管(13)加热熔融下，进入到加热块(9)中的铜嘴(12)里；

3)碳纤维、玻璃纤维、聚芳酰胺纤维、智能纤维中的一种或多种在3D打印头外复合形成连续纤维束(16)，并送入到3D打印头中；

4)连续纤维束(16)通过针管(11)与铜嘴(12)形成的第二内孔道，与熔融状态下的热塑性基体材料(8)在铜嘴(12)前端复合在一起，并从铜嘴(12)出口被挤出；

5)随着3D打印机的打印过程，连续纤维增强材料按照3D打印方法成型零件。