CN106079436A - 一种3d打印连续纤维增强复合材料回收再制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种3D打印连续纤维增强复合材料回收再制造方法，利用3D打印层层叠加的原理，先将回收复合材料预浸丝从回收复合材料工件中按打印路径相反方向以非接触式局部熔融加热的方式抽离出来，回收的预浸丝通过复合材料3D打印装置二次打印，本发明实现连续纤维的回收与复合材料再制造，使连续纤维的使用效率最大化，增大了制造效益，同时降低对环境的二次污染。

Description

一种3D打印连续纤维增强复合材料回收再制造方法
技术领域
本发明涉及连续纤维增强复合材料3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印连续纤维增强复合材料回收再制造方法。
背景技术
复合材料因其质轻、高比强度与比模量、耐腐蚀等优异性能，已经被广泛应用于各行各业，应用领域遍及建筑、交通、航空航天、电子、船舶、能源等各个领域，逐渐成为人类生活中所必不可少的材料。复合材料工业为人类提供优质材料的同时，因其高强性能及耐腐蚀性等特点，也使得复合材料的废弃物处理变得非常困难。随着复合材料工业的迅速发展，每年会新增大量的复合材料废弃物，废弃物的大量堆积不仅占据了工业、农业用地，而且对社会环境构成了威胁，成为阻碍复合材料进一步发展的瓶颈。目前，主流的复合材料废弃回收方法主要有热解法、破碎法、焚烧法三类方法，均无法很好地实现高性能复合材料的回收再利用。因此，研究和发展复合材料废弃物的综合利用技术，实现废弃物资源的循环再利用是非常有必要的。
连续纤维增强复合材料3D打印技术是一种新兴的复合材料加工工艺，它采用3D打印层层累加的原理将基体材料与连续纤维复合叠加成型复合材料零件，该工艺无需预先定制的模具以及预先处理过的纤维预浸带，降低成本与工艺复杂度，能精确地控制增强纤维的方向，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，同时采用连续纤维能大大增加零件的力学性能。
然而，目前，对于3D打印连续纤维增强复合材料的回收再利用存在以下三个问题：
一、由于连续纤维增强复合材料3D打印工艺是新兴的复合材料加工工艺，针对它的回收再利用技术还没有得到发展与研究，这大大限制了该项工艺的发展，急需进一步开发该工艺的回收利用技术。
二、采用传统的热解法和燃烧法在回收过程中会产生大量的有害气体，会对环境造成二次污染。
三、采用传统的回收方法回收连续纤维增强复合材料3D打印零件不能保证连续纤维的连续性，同时会破坏连续纤维的一般物性，回收的纤维不能再次用于3D打印复合材料工艺，降低连续纤维的利用效率。
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3D打印连续纤维增强复合材料回收再制造方法，实现连续纤维的回收与复合材料再制造，使连续纤维的使用效率最大化，增大了制造效益，同时降低对环境的二次污染。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种3D打印连续纤维增强复合材料回收再制造方法，包括下列步骤：
1)通过3D打印连续纤维增强复合材料回收装置回收复合材料预浸丝16：
1.1)将回收复合材料工件3通过工件夹具4固定于工件平台2的上表面，预热箱1箱体内部保持一个恒定温度用来整体预热回收复合材料工件3以加快回收时的融化速度，当回收复合材料工件3的基体材料分别为PLA、ABS、PEEK时，预热箱1的预热温度分别为150℃、200℃、300℃；
1.2)回收时，热风枪6在运动机械臂5的夹持下按照回收复合材料工件3的3D打印路径的相反方向运动，热风枪6的运动速度为100～200mm/min，运动过程中通过热风枪控制器7控制热风枪6吹出热风，当回收复合材料工件3的基体材料分别为PLA、ABS、PEEK时，热风枪6吹出的热风温度分别为300℃、350℃、500℃；当热风枪6运动到某处时，此热风就会在该处形成一个小型的高温环境场8，在高温环境场8作用下，处于高温环境场8内的复合材料段的高分子基体材料就会融化形成一小段熔融区9，该熔融区9的纤维被拉出；
1.3)拉力装置13的主动轮15以一定的速度转动带动从动轮14转动为连续纤维提供拉力，在该拉力作用下，熔融区9的纤维从热塑性基体10抽离出来，随着热风枪6的不断移动以及拉力装置13的转动，连续纤维不断地从热塑性基体10中抽离出来；
1.4)在抽离过程中连续纤维表面会黏附一些热塑性基体材料11，热塑性基体材料11在成型口模12的加热作用下重新熔融，熔融的热塑性基体材料11在成型口模12的小直径直线段与连续纤维重新复合，从成型口模12中挤出形成回收复合材料预浸丝16；
1.5)纤维丝盘17为主动丝盘，按照一定的速度转动，随着纤维丝盘17的转动，回收复合材料预浸丝16被缠绕存储在纤维丝盘17上；
2)通过3D打印连续纤维增强复合材料再制造装置实现再制造过程：纤维丝盘17上的回收复合材料预浸丝16通过石英导管23送入复合材料3D打印头22中，石英导管23防止回收复合材料预浸丝16上的基体材料在未进入复合材料3D打印头22熔融腔之前融化；同时，树脂丝盘18上的热塑性树脂丝材19通过送丝机构20送入复合材料3D打印头22中，与回收复合材料预浸丝16熔融复合挤出，在3D打印机21打印平面上堆积成型再制造复合材料零件24。
所述的3D打印连续纤维增强复合材料回收装置，包括预热箱1，预热箱1内部底面设有工件平台2，回收复合材料工件3通过工件夹具4固定在工件平台2上，预热箱1上部侧壁上连接有运动机械臂5，运动机械臂5的末端连接有热风枪6，预热箱1的外部固定有热风枪控制器7，热风枪控制器7和热风枪6连接，热风枪6和回收复合材料工件3上端配合，回收复合材料预浸丝16穿过预热箱1，在拉力装置13的拉力下穿过成型口模12，最终缠绕在回收丝盘17上。
所述的成型口模12内孔依次为大直径直线段、收缩直径段、小直径直线段。
所述的拉力装置13由主动轮15与从动轮14配合组成。
所述的3D打印连续纤维增强复合材料再制造装置，包括3D打印台21，3D打印台21上方设有的复合材料3D打印头22内的石英导管23的一个入口和回收丝盘17上回收复合材料预浸丝16连接，石英导管23的另一个入口和经过送丝机构20的热塑性树脂丝材19连接，热塑性树脂丝材19缠绕在树脂丝盘18上。
本发明的有益效果为：本发明利用3D打印层层叠加的原理，很好地将回收复合材料预浸丝16从回收复合材料工件3中按打印路径相反方向以非接触式局部熔融加热的方式抽离出来，保证了回收纤维的连续性，使回收纤维仍保持高性能；回收复合材料预浸丝16可以再次与高分子基体材料复合进行二次打印，实现了连续纤维增强热塑性材料的高效、低成本、高保性能的回收与重复利用；同时采用熔融加热的方式，减少因回收复合材料工件3材料的分解而产生的有害气体，降低对环境的污染。
附图说明
图1是本发明3D打印连续纤维增强复合材料回收装置示意图。
图2是本发明3D打印连续纤维增强复合材料再制造装置示意图。
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。
一种3D打印连续纤维增强复合材料回收再制造方法，包括下列步骤：
1)参照图1，通过3D打印连续纤维增强复合材料回收装置回收复合材料预浸丝16：
1.1)将回收复合材料工件3通过工件夹具4固定于工件平台2的上表面，预热箱1箱体内部保持一个恒定温度用来整体预热回收复合材料工件3以加快回收时的融化速度，当回收复合材料工件3的基体材料分别为PLA、ABS、PEEK时，预热箱1的预热温度分别为150℃、200℃、300℃；
1.2)回收时，热风枪6在运动机械臂5的夹持下按照回收复合材料工件3的3D打印路径的相反方向运动，热风枪6的运动速度为100～200mm/min，运动过程中通过热风枪控制器7控制热风枪6吹出热风，当回收复合材料工件3的基体材料分别为PLA、ABS、PEEK时，热风枪6吹出的热风温度分别为300℃、350℃、500℃；当热风枪6运动到某处时此热风就会在该处形成一个小型的高温环境场8，在高温环境场8作用下，处于高温环境场8内的复合材料段的高分子基体材料就会融化形成一小段熔融区9，该熔融区9的纤维被拉出；
1.3)拉力装置13的主动轮15以一定的速度转动带动从动轮14转动为连续纤维提供拉力，在该拉力作用下，熔融区9的纤维从热塑性基体10抽离出来，随着热风枪6的不断移动以及拉力装置13的转动，连续纤维不断地从热塑性基体10中抽离出来；
1.4)在抽离过程中连续纤维表面会黏附一些热塑性基体材料11，热塑性基体材料11在成型口模12的加热作用下重新熔融，熔融的热塑性基体材料11在成型口模12的小直径直线段与连续纤维重新复合，从成型口模12中挤出形成回收复合材料预浸丝16；
1.5)纤维丝盘17为主动丝盘，按照一定的速度转动，随着纤维丝盘17的转动，回收复合材料预浸丝16被缠绕存储在纤维丝盘17上；
2)参照图2，通过3D打印连续纤维增强复合材料再制造装置实现再制造过程：纤维丝盘17上的回收复合材料预浸丝16通过石英导管23送入复合材料3D打印头22中，石英导管23防止回收复合材料预浸丝16上的基体材料在未进入复合材料3D打印头22熔融腔之前融化；同时，树脂丝盘18上的热塑性树脂丝材19通过送丝机构20送入复合材料3D打印头22中，与回收复合材料预浸丝16熔融复合，挤出在3D打印机21打印平面上堆积成型再制造复合材料零件24。
参照图1，所述的3D打印连续纤维增强复合材料回收装置，包括预热箱1，预热箱1内部底面设有工件平台2，回收复合材料工件3通过工件夹具4固定在工件平台2上，预热箱1上部侧壁上连接有运动机械臂5，运动机械臂5的末端连接有热风枪6，预热箱1的外部固定有热风枪控制器7，热风枪控制器7和热风枪6连接，热风枪6和回收复合材料工件3上端配合，回收复合材料预浸丝16穿过预热箱1，在拉力装置13的拉力下穿过成型口模12，最终缠绕在回收丝盘17上。所述的成型口模12内孔依次为大直径直线段、收缩直径段、小直径直线段。所述的拉力装置13由主动轮15与从动轮14配合组成。
参照图2，所述的3D打印连续纤维增强复合材料再制造装置，包括3D打印台21，3D打印台21上方设有的复合材料3D打印头22内的石英导管23的一个入口和回收丝盘17上回收复合材料预浸丝16连接，石英导管23的另一个入口和经过送丝机构20的热塑性树脂丝材19连接，热塑性树脂丝材19缠绕在树脂丝盘18上。
本发明可以实现将连续纤维从复合材料工件上抽离出来，保证了回收纤维的连续性，使回收纤维仍保持高性能。回收复合材料预浸丝16可以再次与高分子基体材料复合进行二次打印，实现了连续纤维增强热塑性材料的高效、低成本、高保性能的回收与重复利用。同时又能限制高分子基体材料分解所造成的环境污染，对于复合材料的循环利用以及长久发展有深远的影响。

Claims (5)

1.一种3D打印连续纤维增强复合材料回收再制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)通过3D打印连续纤维增强复合材料回收装置回收复合材料预浸丝(16)：
1.1)将回收复合材料工件(3)通过工件夹具(4)固定于工件平台(2)的上表面，预热箱(1)箱体内部保持一个恒定温度用来整体预热回收复合材料工件(3)以加快回收时的融化速度，当回收复合材料工件(3)的基体材料分别为PLA、ABS、PEEK时，预热箱(1)的预热温度分别为150℃、200℃、300℃；
1.2)回收时，热风枪(6)在运动机械臂(5)的夹持下按照回收复合材料工件(3)的3D打印路径的相反方向运动，热风枪(6)的运动速度为100～200mm/min，运动过程中通过热风枪控制器(7)控制热风枪(6)吹出热风，当回收复合材料工件(3)的基体材料分别为PLA、ABS、PEEK时，热风枪(6)吹出的热风温度分别为300℃、350℃、500℃；当热风枪(6)运动到某处时，此热风就会在该处形成一个小型的高温环境场(8)，在高温环境场(8)作用下，处于高温环境场(8)内的复合材料段的高分子基体材料就会融化形成一小段熔融区(9)，该熔融区(9)的纤维被拉出；
1.3)拉力装置(13)的主动轮(15)以一定的速度转动带动从动轮(14)转动为连续纤维提供拉力，在该拉力作用下，熔融区(9)的纤维从热塑性基体(10)抽离出来，随着热风枪(6)的不断移动以及拉力装置(13)的转动，连续纤维不断地从热塑性基体(10)中抽离出来；
1.4)在抽离过程中连续纤维表面会黏附一些热塑性基体材料(11)，热塑性基体材料(11)在成型口模(12)的加热作用下重新熔融，熔融的热塑性基体材料(11)在成型口模(12)的小直径直线段与连续纤维重新复合，从成型口模(12)中挤出形成回收复合材料预浸丝(16)；
1.5)纤维丝盘(17)为主动丝盘，按照一定的速度转动，随着纤维丝盘(17)的转动，回收复合材料预浸丝(16)被缠绕存储在纤维丝盘(17)上；
2)通过3D打印连续纤维增强复合材料再制造装置实现再制造过程：纤维丝盘(17)上的回收复合材料预浸丝(16)通过石英导管(23)送入复合材料3D打印头(22)中，石英导管(23)防止回收复合材料预浸丝(16)上的基体材料在未进入复合材料3D打印头(22)熔融腔之前融化；同时，树脂丝盘(18)上的热塑性树脂丝材(19)通过送丝机构(20)送入复合材料3D打印头(22)中，与回收复合材料预浸丝(16)熔融复合，挤出在3D打印机(21)打印平面上堆积成型再制造复合材料零件(24)。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印连续纤维增强复合材料回收再制造方法，其特征在于：所述的3D打印连续纤维增强复合材料回收装置，包括预热箱(1)，预热箱(1)内部底面设有工件平台(2)，回收复合材料工件(3)通过工件夹具(4)固定在工件平台(2)上，预热箱(1)上部侧壁上连接有运动机械臂(5)，运动机械臂(5)的末端连接有热风枪(6)，预热箱(1)的外部固定有热风枪控制器(7)，热风枪控制器(7)和热风枪(6)连接，热风枪(6)和回收复合材料工件(3)上端配合，回收复合材料预浸丝(16)穿过预热箱(1)，在拉力装置(13)的拉力下穿过成型口模(12)，最终缠绕在回收丝盘(17)上。
3.根据权利要求2所述的一种3D打印连续纤维增强复合材料回收再制造方法，其特征在于：所述的成型口模(12)内孔依次为大直径直线段、收缩直径段、小直径直线段。
4.根据权利要求2所述的一种3D打印连续纤维增强复合材料回收再制造方法，其特征在于：所述的拉力装置(13)由主动轮(15)与从动轮(14)配合组成。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印连续纤维增强复合材料回收再制造方法，其特征在于：所述的3D打印连续纤维增强复合材料再制造装置，包括3D打印台(21)，3D打印台(21)上方设有的复合材料3D打印头(22)内的石英导管(23)的一个入口和回收丝盘(17)上回收复合材料预浸丝(16)连接，石英导管(23)的另一个入口和经过送丝机构(20)的热塑性树脂丝材(19)连接，热塑性树脂丝材(19)缠绕在树脂丝盘(18)上。
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