CN107791520A - 用于制造纤维增强的塑料产品的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造纤维增强的塑料产品的装置和方法，可以通过使用3D打印法而制造纤维增强的塑料产品，关于定向分布通过在X、Y和Z方向上一致地设置增强纤维，然后通过在增强纤维上喷射光固化树脂而使得增强纤维被光固化树脂浸渍，从而能够使纤维增强的塑料产品具有抵抗X、Y和Z向荷载的机械物理性质。

Description

用于制造纤维增强的塑料产品的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造纤维增强的塑料产品的装置和方法。更具体地，本发明涉及这样一种用于制造纤维增强的塑料产品的装置和方法，所述装置和方法配置成通过使用3D打印法制造具有出色的纵向强度的纤维增强的塑料产品。
背景技术
通常地，作为制造纤维增强的塑料产品的代表性方法，存在注射成型法和压缩成型法。
在压缩成型法的情况下，增强纤维的长度在工艺中得以完整地保持，由此在成型之后能够实现增强纤维的充分的增强效果，但是压缩成型法主要用于形成片形式的具有简单形状的元件，因此在制造具有各种形状的纤维增强的塑料产品方面存在限制，并且大多数增强纤维具有各向同性定向。
相比于压缩成型，注射成型法非常适合用于制造具有复杂形状的元件，但是注射成型法的缺点在于，在热塑性树脂经过注射成型螺杆的同时增强纤维被切断，这造成增强效果变差，大多数增强纤维以各向同性方式定向，或者一些增强纤维平行于树脂的流动方向定向。
同时，在通过使用3D打印机制造纤维增强的塑料产品的情况下，粉末形式的增强纤维平行于打印机的喷嘴喷出树脂的方向定向，因此缺点在于，制造的产品的Z向强度变差。
公开于本发明的背景部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的各个方面致力于提供一种用于制造纤维增强的塑料产品的装置和方法，所述装置和方法通过使用3D打印法而制造纤维增强的塑料产品，关于定向分布通过在X、Y和Z方向上一致地设置增强纤维，然后通过在增强纤维上喷射光固化树脂使得增强纤维被光固化树脂浸渍，从而能够使纤维增强的塑料产品具有抵抗X、Y和Z向荷载的出色的机械物理性质。
在一个方面，本发明的各个方面致力于提供一种用于制造纤维增强的塑料产品的装置，所述装置包括：储存室，粉末形式的增强纤维储存在所述储存室中，第一支架放置在储存室的底部从而上下移动；加工室，其为使用3D打印法通过反复层压层预定次数从而形成纤维增强的塑料产品的空间，第二支架放置在加工室的底部从而上下移动；网状物，其放置在加工室的外围的位置处从而朝向第二支架的表面或第二支架上的预制层压表面的上方的位置向前移动，筛选增强纤维粉末使得增强纤维粉末具有X、Y和Z方向上的定向分布；辊子，其朝向网状物的上侧推动和传送储存在储存室中的增强纤维粉末；喷嘴，其基于3D打印坐标数据而将光固化树脂喷射至穿过网状物然后放置在第二支架的表面或第二支架上的预制层压表面上的增强纤维粉末；以及紫外线(UV)辐射设备，其安装在喷嘴的外围并且朝向光固化树脂辐射紫外线。
在一个示例性实施方案中，使网状物前后移动的致动器可以连接至网状物的外端部。
在另一个示例性实施方案中，网状物可以设置成具有如下结构：网状物的空隙的尺寸为通过一次层压成形的纤维增强的塑料产品的层高度的1.5至3倍。
在另一个方面，本发明的各个方面致力于提供一种用于制造纤维增强的塑料产品的方法，所述方法包括如下步骤：i)制备粉末形式的增强纤维并且将增强纤维储存在储存室中；ii)将网状物设置在加工室的第二支架的表面或第二支架上的预制层压表面上；iii)朝向网状物上方的位置传送储存室中的增强纤维粉末；iv)通过网状物而筛选增强纤维粉末使得增强纤维放置在第二支架的表面或第二支架上的预制层压表面上同时具有X、Y和Z方向上的定向分布；以及v)除去网状物，通过喷嘴基于3D打印坐标数据而将光固化树脂喷射至放置在第二支架或第二支架上的预制层压表面上的增强纤维粉末，同时通过紫外线辐射设备朝向光固化树脂辐射紫外线。
在一个示例性实施方案中，在步骤i)中，可以制备增强纤维使得增强纤维的长度为通过一次层压成形的纤维增强的塑料产品的高度的0.3至1.3倍。
在另一个示例性实施方案中，在步骤ii)中，网状物可以设置成具有如下结构：网状物的空隙的尺寸为通过一次层压成形的纤维增强的塑料产品的层的高度的1.5至3倍。
在又一个示例性实施方案中，所述方法可以进一步包括如下步骤：在步骤iv)和步骤v)之间，在包括金属材料的网状物和第二支架之间施加电场，从而促使增强纤维的纵向(Z方向)定向。
在又一个示例性实施方案中，作为球形增强材料的碳黑、玻璃微珠和玻璃微球的一者或两者或更多者可以与增强纤维粉末混合从而获得增强效果。
通过上述技术方案，本发明的各个方面致力于提供如下效果。
根据本发明的示例性实施方案，关于定向分布通过使用网状物在X、Y和Z方向上一致地设置增强纤维，然后在增强纤维上喷射光固化树脂使得光固化树脂浸渍在增强纤维中，从而使用3D打印法形成纤维增强的塑料产品，因此可以显示出抵抗X、Y和Z向荷载的出色的机械物理性质，并且纵向抗拉强度(即Z向抗拉强度)可以得到极大提高。
下面讨论本发明的其它方面和示例性实施方案。
应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、可插式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油的能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。
下面讨论本发明的上述特征及其它特征。
通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体描述，本发明的方法和装置所具有的其它特征和优点将更为具体地变得清楚或得以阐明。
附图说明
图1、图2、图3、图4和图5为依次显示使用根据本发明的示例性实施方案的用于制造纤维增强的塑料产品的装置通过层压层而形成纤维增强的塑料产品的工艺的示意图。
应当了解，所附附图并非按比例地绘制，显示了说明本发明的基本原理的各种特征的略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征(包括例如具体尺寸、方向、位置和形状)将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
在这些图中，贯穿附图的多幅图，相同的附图标记涉及本发明的相同或等同的部分。
具体实施方式
下面将详细参考本发明的各个实施方案，这些实施方案的示例被显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施方案相结合进行描述，应当理解本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等价形式及其它实施方案。
下文将详细描述本发明。
图1、图2、图3、图4和图5为显示根据本发明的示例性实施方案的用于制造纤维增强的塑料产品的装置的示意图，其中附图标记10表示储存室，而附图标记20表示加工室。
储存室10储存增强纤维(例如碳纤维)粉末，第一支架11放置在储存室10的底部从而可以通过液压缸或气压缸的操作而上下移动。
因此，在增强纤维粉末12储存在储存室10中的状态下，当第一支架11向上移动时，增强纤维粉末从储存室10中部分地向上升起。
加工室20为使用3D打印法通过层压层预定次数从而形成三维形状的纤维增强的塑料产品的空间，第二支架21放置在加工室20的底部从而可以通过液压缸或气压缸的操作而上下移动，所述第二支架21通过层压层而形成纤维增强的塑料产品。
在本情况下，辊子14放置在储存室10的上侧从而可以通过典型的致动器装置而前后移动，辊子14用于朝向加工室20传送从储存室10中向上升起的增强纤维粉末12。
网状物30放置在加工室20的第一侧从而可以前后移动，使网状物30前后移动的致动器31连接至网状物30的外端。
在网状物30朝向第二支架21的表面或第二支架21上的预制层压表面的上方的位置向前移动的状态下，网状物30用于筛选来自储存室10的增强纤维粉末12，使得增强纤维粉末12具有X、Y和Z方向上定向分布。
同时，喷射光固化树脂41的喷嘴40放置在加工室20上方的位置，朝向光固化树脂41辐射紫外线的紫外线辐射设备42联接至喷嘴40的上端部，喷嘴40和紫外线辐射设备42设置成可以通过典型的致动器基于预定的3D打印坐标而在希望的方向上移动。
更具体地，喷嘴40基于预定的3D打印坐标数据移动，且喷嘴40在穿过网状物30然后放置在第二支架21的表面或第二支架21上的预制层压表面上的增强纤维粉末上喷射光固化树脂。同时，紫外线辐射设备42利用紫外线而辐射喷射至增强纤维粉末并浸渍在增强纤维粉末中的光固化树脂，使光固化树脂固化。
在此，下文将描述包括上述构造的用于制造纤维增强的塑料产品的装置的操作流程。
首先，储存室10填充增强纤维粉末12。
特别地，作为球形增强材料的碳黑、玻璃微珠(glass bubbles)和玻璃微球(glassbeads)的一者或两者或更多者可以与增强纤维粉末混合使用从而进一步获得增强效果。
然后，储存室10的第一支架11向上移动从而使增强纤维粉末12从储存室10中部分地向上升起，同时加工室20的第二支架21向上移动至最高位置(参见图1)。
然后，网状物30通过致动器31的操作而向前移动然后放置在第二支架21的上方从而与第二支架21隔开。之后，当辊子14向前移动时，从储存室10中向上升起的增强纤维粉末12通过辊子14的向前驱动力而传送到网状物30上(参见图2)。
因此，传送到网状物30上的增强纤维粉末12穿过网状物30然后放置在第二支架21的表面上(参见图3)，放置的增强纤维粉末12具有X、Y和Z方向上的定向分布。
当然，根据本发明的示例性实施方案的纤维增强的塑料产品通过反复层压预定的层而形成，因此在第二支架21的表面上存在至少一个预制层压表面的情况下，穿过网状物30的增强纤维粉末放置在第二支架21上的预制层压表面上同时具有X、Y和Z方向上的定向分布。
特别地，在增强纤维粉末穿过网状物30然后放置在第二支架21的表面或第二支架21上的预制层压表面上同时具有X、Y和Z方向上的定向分布之后，在第二支架和包括金属材料的网状物之间施加约20至40kV/cm的电场，从而可以进一步促使增强纤维的纵向(Z方向)定向。
之后，在网状物30通过致动器31的操作而向后移动并离开第二支架21之后，放置在第二支架21上方的喷嘴40将光固化树脂41喷射至增强纤维粉末12同时基于预定的3D打印坐标数据移动，同时紫外线辐射设备42利用紫外线而辐射喷射至增强纤维粉末12并浸渍在增强纤维粉末12中的光固化树脂41，使光固化树脂41固化(参见图4)。
同时，增强纤维的长度(增强纤维储存在储存室10中然后穿过网状物30然后放置在第二支架21的表面或第二支架21上的预制层压表面上)需要是通过一次层压成形的纤维增强的塑料产品的层高度的0.3至1.3倍(平均0.8倍)。其原因是当长度小于高度的0.3倍时，因为穿过网状物30的增强纤维粉末的表观比重增大，所以光固化树脂41不容易在增强纤维之间渗透，因为增强纤维在横向方向(X-Y方向＝水平方向)上过度定向，所以成形的层压产品的纵向强度可能变弱，而当长度大于高度的1.3倍时，因为增强纤维在纵向方向(Z方向)上过度定向，所以成形的层压产品的横向强度可能变弱。
网状物30具有多个空隙(air gap)，网状物30的每个空隙的尺寸为通过一次层压成形的纤维增强的塑料产品的层高度的1.5至3倍。其原因是当尺寸小于高度的1.5倍时，空隙堵塞或者穿过空隙的增强纤维在纵向方向上过度定向，而当尺寸大于高度的3倍时，因为在纵向方向上定向的增强纤维的量减少，所以成形的层压产品的纵向强度变弱，因为随着增强纤维容易地穿过空隙而使得增强纤维之间的间隙过度增大，所以光固化树脂在增强纤维之间过度扩散(在横向方向上过度扩散)，由此产品可成型性变差，并且产品粗糙度(表面粗糙度)变差。
在一次层压形成步骤(将光固化树脂41喷射至放置在第二支架21的表面上的增强纤维粉末12然后通过用紫外线辐射光固化树脂41而使光固化树脂41固化)之后，反复进行相同的工艺预定数次或预定数十次，因此完全地制造最终的纤维增强的塑料产品(参见图5)。
在此，将参考实施例更详细地描述本发明。
实施例1
制备粉末形式的具有平均长度为0.1mm的正态分布的碳纤维，制备具有0.35mm×0.35mm空隙的网状物，将用于层压成形的工作台设置在网状物的下方。
然后，平均长度为0.1mm的碳纤维粉末穿过网状物的0.35mm×0.35mm空隙，使得碳纤维粉末以0.13mm的高度放置在网状物下方的工作台上。
然后，通过压电式喷嘴以尺寸约40μm的微滴形式在放置在工作台上的碳纤维粉末上打印聚氨酯丙烯酸酯树脂(其为光固化树脂)。
随后通过用紫外线辐射而使打印在碳纤维粉末上的聚氨酯丙烯酸酯树脂固化，因此根据实施例1的横向拉伸试样和纵向拉伸试样的制造完成。
在本情况下，横向拉伸试样平行于工作台的表面制得，而纵向拉伸试样通过在工作台的高度方向上反复层压层而制得。打印光固化树脂的室的环境温度维持于80℃的温度。
实施例2
以与根据实施例1的试样相同的方式制造拉伸试样，不同之处在于制备具有平均直径为20μm且平均长度为0.12mm的正态分布的玻璃纤维粉末。
实施例3
以与根据实施例1的试样相同的方式制造拉伸试样，不同之处在于在如同实施例1的使碳纤维粉末穿过网状物并且以一层高度(一次层压的层高度)将碳纤维粉末供应至工作台的步骤中，在网状物和工作台之间施加40kV的电场。
对比实施例1
以与根据实施例1的试样相同的方式制造拉伸试样，不同之处在于不使用网状物。
对比实施例2
以与根据实施例1的试样相同的方式制造拉伸试样，不同之处在于制备平均长度为1mm的碳纤维粉末。
对比实施例3
以与根据实施例2的试样相同的方式制造拉伸试样，不同之处在于制备平均长度为1.5mm的玻璃纤维粉末。
试验实施例
通过使用典型仪器测量根据实施例1至3和对比实施例1至3制造的拉伸试样的机械物理性质，包括纵向(Z方向)抗拉强度和横向(X和Y方向)抗拉强度、表面粗糙度和比重，测量结果显示于下表1。
表1
如上表1所示，可见根据本发明的示例性实施方案的实施例1至3相比于对比实施例1至3显示出纵向抗拉强度方面的出色的机械物理性质，在对比实施例1至3的情况下(其中在不使用网状物的状态下将光固化树脂浸渍在增强纤维粉末中)，由增强纤维粉末构成的组分的渗透性不规则，并且在光固化树脂不能流入的部分处形成孔，因此比重低于实施例1和2，并且包括纵向抗拉强度的机械强度也低于实施例1和2。
在实施例3的情况下，可见一些增强纤维由于电场而在电场的方向(Z方向)上额外定向，从而纵向抗拉强度最为出色。因此，可见可以通过调节施加的电场而调节成形的层压产品在每个方向上的机械物理性质。
为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“高”、“低”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“前”、“后”、“背”、“内侧”、“外侧”、“向内”、“向外”、“内部”、“外部”、“向前”和“向后”被用于参考附图中所显示的这些特征的位置来描述示例性实施方式的特征。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不旨在成为穷举的，也并不旨在把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围意在由所附权利要求书及其等价形式所限定。

Claims (8)

1.一种用于制造纤维增强的塑料产品的装置，所述装置包括：
储存室，增强纤维粉末储存在所述储存室中，第一支架放置在储存室的底部从而上下移动；
加工室，其为使用3D打印法通过反复层压层预定次数从而形成纤维增强的塑料产品的空间，第二支架放置在加工室的底部从而上下移动；
网状物，其放置在加工室的外围从而朝向第二支架的表面或第二支架上的预制层压表面的上方的位置向前移动，筛选增强纤维粉末使得增强纤维粉末具有X、Y和Z方向上定向分布；
辊子，其朝向网状物的上侧推动和传送储存在储存室中的增强纤维粉末；
喷嘴，其基于3D打印坐标数据而将光固化树脂喷射至穿过网状物然后放置在第二支架的表面或第二支架上的预制层压表面上的增强纤维粉末；以及
紫外线辐射设备，其安装在喷嘴的外围并朝向光固化树脂辐射紫外线。
2.根据权利要求1所述的用于制造纤维增强的塑料产品的装置，其中，使网状物前后移动的致动器连接至网状物的外端部。
3.根据权利要求1所述的用于制造纤维增强的塑料产品的装置，其中，网状物设置成具有如下结构：网状物的空隙的尺寸约为通过一次层压成形的纤维增强的塑料产品的层高度的1.5至3倍。
4.一种用于制造纤维增强的塑料产品的方法，所述方法包括如下步骤：
i)制备增强纤维粉末并将增强纤维储存在储存室中；
ii)将网状物设置在加工室的第二支架的表面或第二支架上的预制层压表面上；
iii)朝向网状物上方的位置传送储存室中的增强纤维粉末；
iv)通过网状物筛选增强纤维粉末使得增强纤维粉末的增强纤维放置在第二支架的表面或第二支架上的预制层压表面上同时具有X、Y和Z方向上的定向分布；以及
v)除去网状物，通过喷嘴基于3D打印坐标数据而将光固化树脂喷射至放置在第二支架或第二支架上的预制层压表面上的增强纤维粉末，同时通过紫外线辐射设备而朝向光固化树脂辐射紫外线。
5.根据权利要求4所述的用于制造纤维增强的塑料产品的方法，其中，在步骤i)中，制备增强纤维使得增强纤维的长度约为通过一次层压成形的纤维增强的塑料产品的高度的0.3至1.3倍。
6.根据权利要求4所述的用于制造纤维增强的塑料产品的方法，其中，在步骤ii)中，网状物设置成具有如下结构：网状物的空隙的尺寸约为通过一次层压成形的纤维增强的塑料产品的高度的1.5至3倍。
7.根据权利要求4所述的用于制造纤维增强的塑料产品的方法，进一步包括如下步骤：
在步骤iv)和步骤v)之间，在第二支架和包括金属材料的网状物之间施加电场，从而促使增强纤维的纵向定向。
8.根据权利要求4所述的用于制造纤维增强的塑料产品的方法，其中，作为球形增强材料的碳黑、玻璃微珠和玻璃微球的一者或两者或更多者与增强纤维粉末混合从而获得增强效果。
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