CN105172144A - 一种连续纤维增强复合材料3d打印的多级送丝打印头 - Google Patents
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Abstract
一种连续纤维增强复合材料3D打印的多级送丝打印头，包括固定于一级加热块上表面的纤维导管，纤维导管内孔道形成纤维通道，一级喉管固定于一级加热块一侧，一级喉管内孔道形成一级内孔道，高分子材料从一级内孔道穿过进入一级加热块熔融腔内；一级加热块固定于二级加热块上方，二级喉管固定于二级加热块一侧，二级喉管内孔道形成二级内孔道，高性能热塑性材料从二级内孔道穿过进入二级加热块熔融腔内；以此相同的结构类推，最终所有的加热块固定于末级加热块上面，喷嘴固定于末级加热块下表面，本发明采用多级送丝打印头，很好地将连续纤维用基体材料进行多级包覆，得到具有良好综合性能的连续纤维增强复合材料零件。
Description
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复合材料3D打印的多级送丝打印头。
背景技术
纤维增强复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、低密度等一系列的优异性能，广泛应用于航空航天和民用工业等领域。与短纤维与长纤维增强复合材料相比，连续纤维增强复合材料具有更加优异的力学性能以及可设计性能。3D打印技术具有制造任意复杂零件以及拥有较好打印自由度的特点，将3D打印技术应用于连续纤维增强复合材料零件的制造能够制造出具有复杂结构的连续纤维增强复合材料零件。连续纤维3D打印技术是将连续纤维与基体材料同时送入3D打印头挤出复合材料丝材进行3D打印成型零件，目前该项3D打印技术已初步得到应用。
复合材料是由增强纤维、基体材料以及两者之间的界面相组成，增强纤维主要起承载作用，基体材料主要起连接增强相和传载作用，而界面作为复合材料另一个重要的微结构，不仅起着连接增强纤维与树脂基体的“桥梁”作用，也是外加载荷从基体向增强纤维传递的“纽带”。界面的结构、组成、性质、结合方式以及界面粘结强度对复合材料的力学性能以及破坏行为有着重大的影响，因此改善3D打印纤维增强复合材料的界面性能对于纤维增强复合材料的进一步应用发展具有十分重要的意义。
然而，目前将3D打印技术应用于连续纤维增强复合材料零件的制造仍然存在着以下几个方面的问题：
一、不同的基体材料打印出来的复合材料零件的机械性能不同，例如有些基体材料打印出来的复合材料零件强度高，但是韧性低，基体材料层与层之间结合性能差；有些基体材料韧性弹性好，层间结合性能好，但是零件强度较低；但是目前常规的单级打印喷头只能打印一种基体材料，使得打印出来的连续纤维增强复合材料的机械性能单一，不能得到具有良好综合性能的成型零件；
二、由于连续纤维比表面积小、表面活性低，与基体材料的浸润性差，使得复合材料界面结合性能差，从而严重影响了复合材料整体优异性能的发挥，因此需要对连续纤维进行预浸渍处理增强纤维与基体材料之间的结合强度，但是目前的单级打印喷头很难将预浸渍处理工艺集成到喷头中去。
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复合材料3D打印的多级送丝打印头，实现高性能连续纤维增强复合材料零件3D打印成型。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种连续纤维增强复合材料3D打印的多级送丝打印头，包括固定于一级加热块3上表面的纤维导管1，纤维导管1内孔道形成纤维通道，一级喉管6固定于一级加热块3一侧，一级喉管6内孔道形成一级内孔道，高分子材料9从一级内孔道穿过进入一级加热块3熔融腔内；
一级加热块3固定于二级加热块4上方，二级喉管7固定于二级加热块4一侧，二级喉管7内孔道形成二级内孔道，高性能热塑性材料10从二级内孔道穿过进入二级加热块4熔融腔内；
以此相同的结构类推，前面一级的加热块固定于后面一级加热块上，最终所有的加热块固定于末级加热块5上面，末级喉管8固定于末级加热块5一侧，末级喉管8内孔道形成末级内孔道，末级高性能热塑性材料11从末级孔道穿过进入末级加热块5熔融腔内，喷嘴12固定于末级加热块5下表面。
所述的高分子材料9为柔性PLA或柔性ABS，高性能热塑性材料10或末级高性能热塑性材料11采用PEEK或ABS。
所述多级送丝3D打印头的使用方法，包括下列步骤：
1)将多级送丝3D打印头安装到3D打印机中，并依次装入高分子材料9、各级高性能热塑性材料与连续纤维1，依次为各级加热块提供电源加热；
2)高分子材料9通过一级喉管6内孔道形成的一级内孔道，在一级加热块3加热下成为熔融态高分子材料15进入到一级加热块3中的熔融腔内；
3)连续纤维束2通过纤维导管1内孔道形成的纤维通道，首先与熔融态高分子材料15复合在一起形成一级包覆完成预浸渍处理，二者从一级加热块3出口挤出；
4)高性能热塑性材料10通过二级喉管7形成的二级内孔道，在二级加热块4加热下成为熔融态高性能热塑性材料14进入到二级加热块4的熔融腔内，并与由一级加热块3出口挤出的完成一级包覆的复合纤维束复合在一起完成二级包覆从二级加热块4出口挤出；
5)以此类推，各级熔融态的基体材料通过各级内孔道进入各级加热块中加热成为熔融态并与从上一级加热块出口挤出的复合纤维束复合在一起完成此级包覆进入到下一级加热块中,最终在末级加热块5中与熔融态高性能热塑性材料13复合完成整个包覆过程；
6)完成各级包覆的复合纤维束进入喷嘴12中，从喷嘴12中挤出连续纤维增强多基体复合材料丝材，随着3D打印机的打印过程，连续纤维增强多基体复合材料丝材按照3D打印方法成型零件。
本发明的有益效果：采用多级送丝打印头，可以很好地将连续纤维用基体材料进行多级包覆，第一级包覆采用具有较低熔融指数且与纤维浸润性好的高分子材料(如柔性PLA、柔性ABS等)实现对连续纤维的预浸渍处理，增强连续纤维与基体材料的界面结合性能；从第二级包覆开始依次采用高性能热塑性材料(如PEEK、ABS等)作为基体，最终喷头挤出连续纤维增强多基体复合材料丝材，实现高性能连续纤维增强复合材料零件3D打印成型。不仅能得到具有良好综合性能的连续纤维增强复合材料零件，同时还能增强连续纤维与基体材料的界面结合性能，提高连续纤维增强复合材料零件的整体性能。
附图说明
图1是本发明多级送丝3D打印头整体结构示意图。
图2是本发明两级送丝3D打印头整体结构示意图。
图3是本发明两级送丝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复合材料3D打印的多级送丝打印头，包括固定于一级加热块3上表面的纤维导管1，纤维导管1内孔道形成纤维通道，一级喉管6固定于一级加热块3一侧，一级喉管6内孔道形成一级内孔道，具有较低熔融指数且与纤维浸润性好的高分子材料9(如柔性PLA、柔性ABS等)从一级内孔道穿过进入一级加热块3熔融腔内；
一级加热块3固定于二级加热块4上方，二级喉管7固定于二级加热块4一侧，二级喉管7内孔道形成二级内孔道，高性能热塑性材料10(如PEEK、ABS等)从二级内孔道穿过进入二级加热块4熔融腔内；
以此相同的结构类推，前面一级的加热块固定于后面一级加热块上，最终所有的加热块固定于末级加热块5上面，末级喉管8固定于末级加热块5一侧，末级喉管8内孔道形成末级内孔道，高性能热塑性材料11(如PEEK、ABS等)从末级孔道穿过进入末级加热块5熔融腔内，喷嘴12固定于末级加热块5下表面。
参照图1，所述多级送丝3D打印头的使用方法，包括下列步骤：
1)将多级送丝3D打印头安装到3D打印机中，并依次装入高分子材料9(如柔性PLA、柔性ABS等)、各级高性能热塑性材料(如PEEK、ABS等)与连续纤维1，依次为各级加热块提供电源加热；
2)高分子材料9(如柔性PLA、柔性ABS等)通过一级喉管6内孔道形成的一级内孔道，在一级加热块3加热下成为熔融态高分子材料15进入到一级加热块3中的熔融腔内；
3)连续纤维束2通过纤维导管1内孔道形成的纤维通道，首先与熔融态高分子材料15复合在一起形成一级包覆完成预浸渍处理，二者从一级加热块3出口挤出；
4)高性能热塑性材料10(如PEEK、ABS等)通过二级喉管7形成的二级内孔道，在二级加热块4加热下成为熔融态高性能热塑性材料14进入到二级加热块4的熔融腔内，并与由一级加热块3出口挤出的完成一级包覆的复合纤维束复合在一起完成二级包覆从二级加热块4出口挤出；
5)以此类推，各级熔融态的基体材料通过各级内孔道进入各级加热块中加热成为熔融态并与从上一级加热块出口挤出的复合纤维束复合在一起完成此级包覆进入到下一级加热块中，最终在末级加热块5中与熔融态高性能热塑性材料13复合完成整个包覆过程；
6)完成各级包覆的复合纤维束进入喷嘴12中，从喷嘴12中挤出连续纤维增强多基体复合材料丝材，随着3D打印机的打印过程，连续纤维增强多基体复合材料丝材按照3D打印方法成型零件。
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
参照图2与图3，一种连续纤维增强复合材料3D打印的两级送丝打印头，包括纤维导管1，纤维导管1通过第一螺栓16与固定板17固定于一级加热块3上方，一级加热块3中设有一级加热管19、一级温度传感器20，一级加热管19通过一级紧定螺钉21固定，一级喉管6螺纹两端分别连接一级加热块3与一级远程送丝接头18，一级加热块3与二级加热块4通过中间过渡管22螺纹连接，二级加热块4中设有二级加热管24、二级温度传感器25，二级加热管24通过二级紧定螺钉26固定，二级喉管7螺纹两端分别连接二级加热块4与二级远程送丝接头23，喷嘴12通过螺纹连接于二级加热块4下表面，二级加热块4通过第二螺栓29连接于打印头支撑板30上表面，支撑板30通过第三螺栓28连接在打印头支座27上。
Claims (3)
1.一种连续纤维增强复合材料3D打印的多级送丝打印头，包括固定于一级加热块(3)上表面的纤维导管(1)，其特征在于：纤维导管(1)内孔道形成纤维通道，一级喉管(6)固定于一级加热块(3)一侧，一级喉管(6)内孔道形成一级内孔道，高分子材料(9)从一级内孔道穿过进入一级加热块(3)熔融腔内；
一级加热块(3)固定于二级加热块(4)上方，二级喉管(7)固定于二级加热块(4)一侧，二级喉管(7)内孔道形成二级内孔道，高性能热塑性材料(10)从二级内孔道穿过进入二级加热块(4)熔融腔内；
以此相同的结构类推，前面一级的加热块固定于后面一级加热块上，最终所有的加热块固定于末级加热块(5)上面，末级喉管(8)固定于末级加热块(5)一侧，末级喉管(8)内孔道形成末级内孔道，末级高性能热塑性材料(11)从末级孔道穿过进入末级加热块(5)熔融腔内，喷嘴(12)固定于末级加热块(5)下表面。
2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料3D打印的多级送丝打印头，其特征在于：所述的高分子材料(9)为柔性PLA或柔性ABS，高性能热塑性材料(10)或末级高性能热塑性材料(11)采用PEEK或ABS。
3.一种连续纤维增强复合材料3D打印的多级送丝打印头的使用方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)将多级送丝3D打印头安装到3D打印机中，并依次装入高分子材料(9)、各级高性能热塑性材料与连续纤维(1)，依次为各级加热块提供电源加热；
2)高分子材料(9)通过一级喉管(6)内孔道形成的一级内孔道，在一级加热块(3)加热下成为熔融态高分子材料(15)进入到一级加热块(3)中的熔融腔内；
3)连续纤维束(2)通过纤维导管(1)内孔道形成的纤维通道，首先与熔融态高分子材料(15)复合在一起形成一级包覆完成预浸渍处理，二者从一级加热块(3)出口挤出；
4)高性能热塑性材料(10)通过二级喉管(7)形成的二级内孔道，在二级加热块(4)加热下成为熔融态高性能热塑性材料(14)进入到二级加热块(4)的熔融腔内，并与由一级加热块(3)出口挤出的完成一级包覆的复合纤维束复合在一起完成二级包覆从二级加热块(4)出口挤出；
5)以此类推，各级熔融态的基体材料通过各级内孔道进入各级加热块中加热成为熔融态并与从上一级加热块出口挤出的复合纤维束复合在一起完成此级包覆进入到下一级加热块中,最终在末级加热块(5)中与熔融态高性能热塑性材料(13)复合完成整个包覆过程；
6)最终完成各级包覆的复合纤维束进入喷嘴(12)中，从喷嘴(12)中挤出连续纤维增强多基体复合材料丝材，随着3D打印机的打印过程，连续纤维增强多基体复合材料丝材按照3D打印方法成型零件。
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