CN106515041A - 一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法，属于复合材料成型技术领域，通过将增强纱线扩展成较薄的纱线带，并与牵伸后的树脂带进行充分浸润形成单层预浸纱，单层预浸纱经定型装置挤压后形成具有指定形状和尺寸的预浸丝束，预浸丝束在导向装置的牵引下经压实装置加热熔融后与上一层复合材料粘结在一起，形成复合材料层合结构。该方法通过对连续纤维的展开和基体材料的牵伸，有效提高了纱线与树脂的浸润效果，从而提高纤维与基体的界面结合强度，预浸丝束可以任意角度打印，同时经压实装置压实后，纤维体积分数显著提高，可实现具有复杂结构高性能复合材料构件的增材制造。

Description

一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法
技术领域
本发明涉及一种长纤维增强热塑性复合材料构件的三维打印成形方法，属于复合材料成型技术领域。该发明主要用于制备长纤维增强热塑性复合材料，可以显著提高纤维与树脂的界面结合效果和复合材料构件的纤维体积分数。
背景技术
目前长纤维增强热塑性复合材料的成型工艺主要有滚压成型、高压釜成型和水辅助注射成型。滚压成型工艺中，热塑性薄板在压辊上被加热到基体熔点以上，通过多对压辊的连续运动将热塑性材料加工成要求形状。滚压成型工艺最大的优点在于连续操作流程和高的成型速度带来的高产率，但只能成型恒定截面的制品。高压釜成型工艺通常采用通过手工切割或自动切割得到的半浸渍预制件，切割后的预制件通过局部熔融热塑性基体将预切割层合板点焊在一起，然后将其送入高压釜中进行熔融成型。高压釜成型工艺适合制造大型且复杂的制件，但设备费用投入大，需要进行大量的手工辅助操作。水辅助注射成型技术得到的产品质量轻、树脂成本相对较低、循环时间短、树脂部件的设计和生产有更大的灵活性。在水辅助注射成型工艺中，模腔可以让熔融聚合物部分充满或全部充满，随后把水注射到熔融聚合物的核心。水辅助注射成型可以使设计具有更大的自由度、节省物料、产品质量轻和工具成本等优点，但因为增加了附加的成型参数，使成型窗口和成型工艺的控制变的更加困难。
发明内容
针对现有长纤维热塑性复合材料成形方法的不足，本发明提供了一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法。该方法工艺简单，无需模具。采用该方法制备的复合材料，具有纤维与树脂界面结合效果好、纤维取向性好、纤维体积分数高、整体性能优良等优点。
本发明所述的一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法，具体包括以下工艺步骤：
S1：对复合材料构件CAD模型沿Z向进行分层，生成构件的层片数据和截面轮廓数据；
S2：依据当前层片数据，增强纱线经过展纤机构（3）预加热并形成具有指定宽度的纱线带；
同时将相应配比的热塑性树脂经过牵伸机构（2）制成具有指定宽度的树脂膜；
S3：将树脂膜加热熔融，包覆纱线带，使熔融树脂充分浸润纱线带，形成单层预浸纱，预浸纱挤压后形成具有指定形状和尺寸的预浸丝束；
S4：通过CAD驱动控制预浸丝束进行任意方向的打印，沿打印路径进行同步加热加压固化，完成当前层复合材料打印；
S5：基台下移一定高度，继续采用步骤S2、S3和S4进行下一层的打印；
S6：完成所有层打印后，将复合材料构件从基台上取下，经过机加工后完成制备。
根据权利要求1所述的一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法，所述的增强纱线和展纤机构（3）是一组或多组。
根据权利要求1所述的一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法，所述的增强纱线是硼纤维纱线、碳纤维纱线、玻璃纤维纱线、碳化硅纤维纱线、凯夫拉纤维纱线或超高分子量聚乙烯纤维纱线。
根据权利要求1所述的一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法，所述的热塑性树脂是聚丙烯树脂、聚酰胺树脂、聚酯树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮树脂或聚酰亚胺树脂中的一种或几种。
根据权利要求1所述的一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法，所述的增强纱线的规格是1K、3K、6K、12K中的一种或几种。
根据权利要求1所述的一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法，所述的牵伸机构（2）和展纤机构（3）可通过CAD驱动分别控制树脂带和展开纱线带的宽度。
根据权利要求1所述的一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法，所述的定型装置（6）可通过CAD驱动控制预浸丝束的形状和尺寸。
与现有技术相比，本发明所设计的长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法具有以下显著优点：
（1）通过展纤机构将增强纱线进行展开，有利于后续树脂对于纱线的充分浸润，有效提高纤维与树脂的界面结合性能，从而提高了复合材料构件的力学性能；
（2）增强纱线可以按依据CAD模型层片数据，进行任意角度铺放，打印自由度较大，可实现具有复杂结构的长纤维复合材料构件的打印成形；
（3）通过控制增强纱线与树脂的配比，可以实现高纤维体积分数复合材料构件的三维打印成形。
附图说明
图1是本发明一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法原理示意图；
附图标记
i1、i2、in—放线筒，1—挤出装置，2—牵伸机构，3—展纤机构，4—复合装置，5—预浸纱，6—定型装置，7—预浸丝束，8—导向装置，9—压实装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图说明，对本发明做进一步的阐述说明。以下实施例仅用于说明而不是用于限制本发明的范围。此外，本领域技术人员在阅读了本发明阐述的内容后可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样用于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1：该长纤维热塑性复合材料构件包括0°方向纱线、45°方向纱线、90°方向纱线和135°方向纱线。纱线选用3K碳纤维纱线，热塑性树脂选用聚苯硫醚。复合材料构件厚度为5mm。
具体实施步骤：
（1）对复合材料构件CAD模型沿Z向进行分层，生成构件的层片数据和截面轮廓数据；
（2）两束3K碳纤维纱线分别从放纱筒（i1）和放纱筒（i2）出发，经过展纤机构（3）形成具有一定宽度的纱线带，输送到复合装置（4）；同时依据当前层片数据，选取相应配比的聚苯硫醚经挤出装置（1）熔融挤出，经过牵伸机构（2）形成具有一定宽度的树脂膜，输送至复合装置（4）；
（3）复合装置（4）将树脂膜加热熔融，包覆纱线带，经复合装置（4）挤压使熔融树脂充分浸润纱线带，形成单层预浸纱（5），预浸纱（5）经定型装置（6）挤压后形成具有一定宽度和厚度的预浸丝束（7），输送至导向装置（8）；
（4）通过CAD驱动控制导向装置（8）牵引预浸丝束（7）进行任意方向的打印，通过CAD驱动控制压实装置（9）沿预浸丝束（7）打印路径进行同步加热加压固化，完成当前层复合材料打印；
（5）基台下移一定高度，继续采用步骤（2）、（3）和（4）进行下一层的打印；
（6）完成所有层打印后，将复合材料构件从基台上取下，经过机加工后完成制备。

Claims (7)

1.一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1：对复合材料构件CAD模型沿Z向进行分层，生成构件的层片数据和截面轮廓数据；
S2：依据当前层片数据，增强纱线经过展纤机构（3）预加热并形成具有指定宽度的纱线带；同时将相应配比的热塑性树脂经过牵伸机构（2）制成具有指定宽度的树脂膜；
S3：将树脂膜加热熔融，包覆纱线带，使熔融树脂充分浸润纱线带，形成单层预浸纱，预浸纱挤压后形成具有指定形状和尺寸的预浸丝束；
S4：通过CAD驱动控制预浸丝束进行任意方向的打印，沿打印路径进行同步加热加压固化，完成当前层复合材料打印；
S5：基台下移一定高度，继续采用步骤S2、S3和S4进行下一层的打印；
S6：完成所有层打印后，将复合材料构件从基台上取下，经过机加工后完成制备。
2.根据权利要求1所述的一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法，其特征在于，所述的增强纱线和展纤机构（3）是一组或多组。
3.根据权利要求1所述的一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法，其特征在于，所述的增强纱线是硼纤维纱线、碳纤维纱线、玻璃纤维纱线、碳化硅纤维纱线、凯夫拉纤维纱线或超高分子量聚乙烯纤维纱线。
4.根据权利要求1所述的一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法，其特征在于，所述的热塑性树脂是聚丙烯树脂、聚酰胺树脂、聚酯树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮树脂或聚酰亚胺树脂中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法，其特征在于，所述的增强纱线的规格是1K、3K、6K、12K中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法，其特征在于，所述的牵伸机构（2）和展纤机构（3）可通过CAD驱动分别控制树脂带和展开纱线带的宽度。
7.根据权利要求1所述的一种长纤维热塑性复合材料构件的三维打印成形方法，其特征在于，所述的定型装置（6）可通过CAD驱动控制预浸丝束的形状和尺寸。
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