CN107839225A - 一种螺杆挤出连续纤维复合材料3d打印装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种螺杆挤出连续纤维复合材料3D打印装置及方法，直接利用单螺杆挤出热塑性粒料或丝材作为复合材料基体，以连续纤维作为增强体，通过层层堆积成形复合材料样件，基体材料可以突破传统3D打印丝材的限制，既可以采用传统的3D打印丝材，又可以采用粒料实现基体材料的任意组合，扩展基体材料体系，采用螺杆挤出的方式能同时通过加热以及螺杆剪切作用改善熔融树脂的流变特性，另外螺杆挤出时内部会产生较高的压力，因此可通过以上方式优化树脂浸渍纤维束的程度，获得良好的界面结合性能实现高性能复合材料的制造，该发明既继承了目前连续纤维3D打印工艺的优点，同时又推动了该新兴工艺真正走向工业化应用的进程，对于促进复合材料的长远发展具有重要意义。

Description

一种螺杆挤出连续纤维复合材料3D打印装置及方法
技术领域
本发明涉及连续纤维增强复合材料3D打印，具体涉及一种螺杆挤出连续纤维复合材料3D打印装置及方法。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料具有比重小、高强度、高模量等优异特性，目前已被广泛应用于各个领域，长时间以来开展了大量针对复合材料成形工艺的研究，形成了一系列相对较成熟的制造技术，主要有热压成型、缠绕成型、铺放成型、RTM成型等，以上传统的成形工艺对于推动复合材料的逐步发展与应用起到了十分重要的作用，但长时间以来一直存在一些共性的缺点与不足无法克服，大部分工艺都需要专用的模具，成形过程往往比较复杂使得加工成本比较高，且很难实现复杂结构件的快速制造，大大限制了纤维增强树脂基复合材料的应用范围，因此，探索开发新的成形工艺以解决传统方式的不足，实现复合材料低成本高效快速制造，是推动复合材料在将来更为广泛应用的关键。
复合材料3D打印技术是将3D打印技术应用于复合材料成型过程中的一种新兴技术，采用层层累加的原理制造复合材料，继承了3D打印技术无模自由成形的优势，是一种能有效克服传统复合材料成形工艺缺点的创新型技术，得到了越来越多的关注与研究，形成了一批不同类型的3D打印复合材料工艺，但目前制约3D打印复合材料工艺走向实际工业应用最大的问题在于大部分工艺采用的短切纤维对复合材料力学性能的提升还无法满足工业应用的标准，因此采用连续纤维进行3D打印实现高性能复合材料零件的制造成为了该新兴工艺最为主要的发展方向。
然而，目前针对连续纤维增强复合材料3D打印工艺的研究还处于刚起步阶段，仍然存在以下缺点：
一、目前的连续纤维增强复合材料3D打印头是在传统FDM打印头的基础上设计开发的，原料供给系统仅采用送丝步进电机将3D打印丝材送入到打印头的方式，该方式基体材料只能采用传统FDM通用的材料，若要扩展材料体系或对材料进行改性需要重新研究新材料的挤丝工艺，过程复杂周期长使得成本增加，因此材料体系的限制阻碍了该工艺的应用范围；
二、借鉴传统的复合材料成形过程，界面结合性能是决定复合材料力学性能最为重要的因素，而成形过程中的温度与压力是决定界面性能好坏的两个关键因素，目前的连续纤维3D打印头其温度是依靠加热块中的加热棒与温度传感器控制的，温度主要影响熔融树脂的流变特性，熔融树脂流变特性的好坏决定了树脂浸渍纤维束的能力，连续纤维3D打印头的压力主要来自于送丝电机推动丝材挤丝的活塞作用，压力的大小决定了树脂浸渍纤维的作用力。然而，连续纤维增强复合材料3D打印工艺采用的是热塑性树脂基体，熔融粘度比较大，需要很大的压力才能浸渍到纤维束内部形成良好的界面，而目前连续纤维增强3D打印头的温度与压力条件都比较差，导致成形的复合材材料样件的力学性能相对比较差，仍达不到传统工艺的水平。
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螺杆挤出连续纤维复合材料3D打印装置及方法，采用螺杆挤出的方式能同时通过加热以及螺杆剪切作用改善熔融树脂的流变特性，另外螺杆挤出时内部会产生较高的压力，因此可通过以上方式优化树脂浸渍纤维束的程度，获得良好的界面结合性能实现高性能复合材料的制造。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种螺杆挤出连续纤维复合材料3D打印装置，包括步进电机16，步进电机16的输出轴依次通过减速器15、联轴器14与螺杆1输入轴端连接，减速器15通过一个支架17固定在Z轴升降台18的一端，螺杆1输入轴通过角接触球轴承11和螺筒2连接，角接触球轴承11通过轴承螺帽12紧固在螺杆1上，轴承螺帽12外侧设有轴承端盖13，轴承端盖13和螺筒2端头连接，螺杆1从输入端起，依次由送料段28、压缩段29、计量段30组成，送料段28对应的螺筒2的正下方设有散热扇32，送料段28对应的螺筒2通过另一个支架17固定在Z轴升降台18的另一端，压缩段29、计量段30对应的螺筒2外圈固定有压缩段弹簧加热圈3、计量段弹簧加热圈4，压缩段29、计量段30对应的螺筒2内固定有第一温度传感器5、第二温度传感器6，螺筒2末端和纤维浸渍机头19的树脂输入端通过螺纹连接，纤维浸渍机头19的纤维输入端和纤维导管20连接，纤维浸渍机头19的输出端和3D打印头23连接，纤维浸渍机头19通过螺纹连接有测量纤维浸渍机头19内部压力的压力传感器25；
送料段28对应的螺筒2设有粒料输入口31和丝材输入口35，当采用粒料进行打印时，粒料输入口31上表面和料斗支架8连接，料斗支架8和料斗7连接，此时丝材输入口35利用第三螺栓34封死；当采用丝材进行打印时，粒料输入口31利用挡板36封死，第三螺栓34拧出打开丝材输入口35。
一种螺杆挤出连续纤维复合材料3D打印装置的打印方法，包括以下步骤：
1)当采用粒料进行打印时，树脂粒料26放置于料斗7中，树脂粒料26是单种热塑性树脂，或是多种热塑性树脂的混合，树脂粒料26在重力作用下通过粒料输入口31进入螺杆送料段28；当采用丝材进行打印时，粒料输入口31利用挡板36封死，第三螺栓34拧出打开丝材输入口35，热塑性树脂丝材39在送丝电机37作用下，经过丝材输入口35直接输入到螺杆压缩段29起始端；
2)步进电机16运行，经过减速器15、联轴器14带动螺杆1转动，当采用树脂粒料26进行打印时，在摩擦力作用下，送料段28内的树脂粒料26逐渐向前运动，料斗7内的树脂粒料26不断进入送料段28，当树脂粒料26进入压缩段29开始，树脂粒料26不断挤压，同时在压缩段弹簧加热圈3不断加热作用下，树脂粒料26开始不断融化，不同材料之间不断混合；当采用丝材进行打印时，经送丝电机37送入到压缩段29的丝材在压缩段弹簧加热圈3的加热作用下开始融化；
随着螺杆1的转动，压缩段29处的未完全融化材料被送入到计量段30处，在计量段弹簧加热圈4的加热作用下热塑性树脂进一步加热熔融直至充分融化形成熔融树脂27；热塑性树脂材料在螺筒2中输送过程中，压缩段弹簧加热圈3与计量段弹簧加热圈4对其有加热作用，通过第一温度传感器5与第二温度传感器6控制各段的加热温度，当采用粒料进行打印时，利用散热扇32对送料段28进行冷却降温；
3)熔融树脂27在内部压力作用下，进入到纤维浸渍尽头19内部的熔融浸渍腔33内，同时纤维丝盘22上的连续纤维21通过纤维导管20也送入到熔融浸渍腔33内部，在内部压力作用下熔融树脂27浸渍纤维束形成复合材料，该复合材料再从3D打印头23出口处挤出堆积在XY运动平台24上；
4)复合材料从3D打印头23出口处不断挤出，通过调节步进电机16的转速来控制复合材料的挤出速度，XY运动平台24按照打印路径运动使得复合材料不断堆积到打印平台上，待一层打印结束后，Z轴升降台18上升一个层厚的距离，按照以上的方式打印下一层，如此往复最终层层堆积成形复合材料样件40。
所述的螺筒2内部压力是由于螺杆1在输送物料过程中产生的，在计量段30末端达到最大，内部压力通过压力传感器25测得，在内部压力作用下，连续纤维21与熔融树脂27在熔融浸渍腔33内部充分结合，形成良好的结合界面以获得高性能复合材料；同时，内部压力通过改变纤维浸渍机头19内部流道的形状，或改变螺杆1的长径比、螺旋角、槽深等参数，或改变减速器15的减速比以改变输出扭矩的方式来获得不同的内部压力。
本发明的有益效果为：
采用本发明所提出的螺杆挤出连续纤维复合材料3D打印装置及方法，基体材料可以突破传统3D打印丝材的限制，既可以采用传统的3D打印丝材，又可以采用粒料实现基体材料的任意组合，扩展基体材料体系，同时又可以通过温度与压力的控制，大大改善纤维与基体的界面结合性能，获得高性能复合材料构件，该装置与方法既继承了目前连续纤维3D打印工艺的优点，同时又推动了该新兴工艺真正走向工业化应用的进程，对于促进复合材料的长远发展具有重要意义。
附图说明
图1是本发明螺杆挤出粒料连续纤维复合材料3D打印装置的示意图
图2是本发明螺杆挤出丝材连续纤维复合材料3D打印装置的示意图
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和图2，一种螺杆挤出连续纤维复合材料3D打印装置，包括步进电机16，步进电机16的输出轴依次通过减速器15、联轴器14与螺杆1输入轴端连接，减速器15通过一个支架17固定在Z轴升降台18的一端，螺杆1输入轴通过角接触球轴承11和螺筒2连接，角接触球轴承11通过轴承螺帽12紧固在螺杆1上，轴承螺帽12外侧设有轴承端盖13，轴承端盖13和螺筒2端头连接，螺杆1从输入端起，依次由送料段28、压缩段29、计量段30组成，送料段28对应的螺筒2的正下方设有散热扇32，送料段28对应的螺筒2通过另一个支架17固定在Z轴升降台18的另一端，压缩段29、计量段30对应的螺筒2外圈固定有压缩段弹簧加热圈3、计量段弹簧加热圈4，压缩段29、计量段30对应的螺筒2内固定有第一温度传感器5、第二温度传感器6，螺筒2末端和纤维浸渍机头19的树脂输入端通过螺纹连接，纤维浸渍机头19的纤维输入端和纤维导管20连接，纤维浸渍机头19的输出端和3D打印头23连接，纤维浸渍机头19通过螺纹连接有测量纤维浸渍机头19内部压力的压力传感器25；
送料段28对应的螺筒2设有粒料输入口31和丝材输入口35，当采用粒料进行打印时，粒料输入口31上表面通过第一螺栓9和料斗支架8连接，料斗支架8通过第二螺栓10和料斗7连接，此时丝材输入口35利用第三螺栓34封死；当采用丝材进行打印时，粒料输入口31利用挡板36封死，第三螺栓34拧出打开丝材输入口35。
参照图1和图2，一种螺杆挤出连续纤维复合材料3D打印装置的打印方法，包括以下步骤：
1)当采用粒料进行打印时，树脂粒料26放置于料斗7中，树脂粒料26是单种热塑性树脂或是多种热塑性树脂的混合，粒料在重力作用下通过粒料输入口31进入螺杆送料段28；当采用丝材进行打印时，粒料输入口31利用挡板36封死，第三螺栓34拧出打开丝材输入口35，热塑性树脂丝材39在送丝电机37作用下，经过丝材输入口35直接输入到螺杆压缩段29起始端；
2)步进电机16运行，经过减速器15、联轴器14带动螺杆1转动，当采用树脂粒料26进行打印时，在摩擦力作用下，送料段28内的树脂粒料26逐渐向前运动，料斗7内的树脂粒料26不断进入送料段28，当树脂粒料26进入压缩段29开始，树脂粒料26不断挤压，同时在压缩段弹簧加热圈3不断加热作用下，树脂粒料26开始不断融化，不同材料之间不断混合；当采用丝材进行打印时，经送丝电机37送入到压缩段29的丝材在压缩段弹簧加热圈3的加热作用下开始融化；
随着螺杆1的转动，压缩段29处的未完全融化材料被送入到计量段30处，在计量段弹簧加热圈4的加热作用下热塑性树脂进一步加热熔融直至充分融化形成熔融树脂27；热塑性树脂材料在螺筒2中输送过程中，压缩段弹簧加热圈3与计量段弹簧加热圈4对其有加热作用，通过第一温度传感器5与第二温度传感器6控制各段的加热温度，同时螺杆1与螺筒2对热塑性树脂又存在摩擦与剪切物理过程，在加热与摩擦剪切共同作用下，熔融树脂的流变特性得到优化与改善，提高了其浸渍纤维束的能力；同时，当采用粒料进行打印时，为防止树脂颗粒在送料段28处过早融化，利用散热扇32对送料段28进行冷却降温；
3)熔融树脂27在内部压力作用下，进入到纤维浸渍尽头19内部的熔融浸渍腔33内，同时纤维丝盘22上的连续纤维21通过纤维导管20也送入到熔融浸渍腔33内部，在内部压力作用下熔融树脂27浸渍纤维束形成复合材料，该复合材料再从3D打印头23出口处挤出堆积在XY运动平台24上；
4)复合材料从3D打印头23出口处不断挤出，通过调节步进电机16的转速来控制复合材料的挤出速度，XY运动平台24按照打印路径运动使得复合材料不断堆积到打印平台上，待一层打印结束后，Z轴升降台18上升一个层厚的距离，按照以上的方式打印下一层，如此往复最终层层堆积成形复合材料样件40。
所述的螺筒2内部压力是由于螺杆1在输送物料过程中产生的，在计量段30末端达到最大，内部压力通过压力传感器25测得，内部压力远远大于传统的柱塞式3D打印头产生的压力，在内部压力作用下，连续纤维21与熔融树脂27在熔融浸渍腔33内部充分结合，形成良好的结合界面以获得高性能复合材料；同时，内部压力通过改变纤维浸渍机头19内部流道的形状，或改变螺杆1的长径比、螺旋角、槽深等参数，或改变减速器15的减速比以改变输出扭矩的方式来获得不同的内部压力。

Claims (3)

1.一种螺杆挤出连续纤维复合材料3D打印装置，包括步进电机(16)，其特征在于：步进电机(16)的输出轴通过依次减速器(15)、联轴器(14)与螺杆(1)输入轴端连接，减速器(15)通过一个支架(17)固定在Z轴升降台(18)的一端，螺杆(1)输入轴通过角接触球轴承(11)和螺筒(2)连接，角接触球轴承(11)通过轴承螺帽(12)紧固在螺杆(1)上，轴承螺帽(12)外侧设有轴承端盖(13)，轴承端盖(13)和螺筒(2)端头连接，螺杆(1)从输入端起，依次由送料段(28)、压缩段(29)、计量段(30)组成，送料段(28)对应的螺筒(2)的正下方设有散热扇(32)，送料段(28)对应的螺筒(2)通过另一个支架(17)固定在Z轴升降台(18)的另一端，压缩段(29)、计量段(30)对应的螺筒(2)外圈固定有压缩段弹簧加热圈(3)、计量段弹簧加热圈(4)，压缩段(29)、计量段(30)对应的螺筒(2)内固定有第一温度传感器(5)、第二温度传感器(6)，螺筒(2)末端和纤维浸渍机头(19)的树脂输入端通过螺纹连接，纤维浸渍机头(19)的纤维输入端和纤维导管(20)连接，纤维浸渍机头(19)的输出端和3D打印头(23)连接，纤维浸渍机头(19)通过螺纹连接有测量纤维浸渍机头(19)内部压力的压力传感器(25)；
送料段(28)对应的螺筒(2)设有粒料输入口(31)和丝材输入口(35)，当采用粒料进行打印时，粒料输入口(31)上表面和料斗支架(8)连接，料斗支架(8)和料斗(7)连接，此时丝材输入口(35)利用第三螺栓(34)封死；当采用丝材进行打印时，粒料输入口(31)利用挡板(36)封死，第三螺栓(34)拧出打开丝材输入口(35)。
2.一种螺杆挤出连续纤维复合材料3D打印装置的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)当采用粒料进行打印时，树脂粒料(26)放置于料斗(7)中，树脂粒料(26)是单种热塑性树脂，或是多种热塑性树脂的混合，粒料在重力作用下通过粒料输入口(31)进入螺杆送料段(28)；当采用丝材进行打印时，粒料输入口(31)利用挡板(36)封死，第三螺栓(34)拧出打开丝材输入口(35)，热塑性树脂丝材(39)在送丝电机(37)作用下，经过丝材输入口(35)直接输入到螺杆压缩段(29)起始端；
2)步进电机(16)运行，经过减速器(15)、联轴器(14)带动螺杆(1)转动，当采用树脂粒料(26)进行打印时，在摩擦力作用下，送料段(28)内的树脂粒料(26)逐渐向前运动，料斗(7)内的树脂粒料(26)不断进入送料段(28)，当树脂粒料(26)进入压缩段(29)开始，树脂粒料(26)不断挤压，同时在压缩段弹簧加热圈(3)不断加热作用下，树脂粒料(26)开始不断融化，不同材料之间不断混合；当采用丝材进行打印时，经送丝电机(37)送入到压缩段(29)的丝材在压缩段弹簧加热圈(3)的加热作用下开始融化；
随着螺杆(1)的转动，压缩段(29)处的未完全融化材料被送入到计量段(30)处，在计量段弹簧加热圈(4)的加热作用下热塑性树脂进一步加热熔融直至充分融化形成熔融树脂(27)；热塑性树脂材料在螺筒(2)中输送过程中，压缩段弹簧加热圈(3)与计量段弹簧加热圈(4)对其有加热作用，通过第一温度传感器(5)与第二温度传感器(6)控制各段的加热温度，同时，当采用粒料进行打印时，利用散热扇(32)对送料段(28)进行冷却降温；
3)熔融树脂(27)在内部压力作用下，进入到纤维浸渍尽头(19)内部的熔融浸渍腔(33)内，同时纤维丝盘(22)上的连续纤维(21)通过纤维导管(20)也送入到熔融浸渍腔(33)内部，在内部压力作用下熔融树脂(27)浸渍纤维束形成复合材料，该复合材料再从3D打印头(23)出口处挤出堆积在XY运动平台(24)上；
4)复合材料从3D打印头(23)出口处不断挤出，通过调节步进电机(16)的转速来控制复合材料的挤出速度，XY运动平台(24)按照打印路径运动使得复合材料不断堆积到打印平台上，待一层打印结束后，Z轴升降台(18)上升一个层厚的距离，按照以上的方式打印下一层，如此往复最终层层堆积成形复合材料样件(40)。
3.根据权利要求2所述的一种螺杆挤出连续纤维复合材料3D打印装置的打印方法，其特征在于：所述的螺筒(2)内部压力是由于螺杆(1)在输送物料过程中产生的，在计量段(30)末端达到最大，内部压力通过压力传感器(25)测得，在内部压力作用下，连续纤维(21)与熔融树脂(27)在熔融浸渍腔(33)内部充分结合，形成良好的结合界面以获得高性能复合材料；同时，内部压力通过改变纤维浸渍机头(19)内部流道的形状，或改变螺杆(1)的长径比、螺旋角、槽深等参数，或改变减速器(15)的减速比以改变输出扭矩的方式来获得不同的内部压力。
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