CN107984775B - 一种用于制备3d打印耗材的浸胶装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于制备3D打印耗材的浸胶装置和方法，所述装置包括具有保温层的封闭壳体，以及依次设置在壳体内部的纤维预热口模、张力辊、导向辊、鱼梭形浸胶辊、各级导向口模和终口模，其中鱼梭形浸胶辊的设计和使用是该装置的核心部件，本装置作为耗材生产线的主要部分，可较大程度保留纤维的本体强度、改善纤维的浸胶质量，为稳定生产提供了设备保障；而且还缩短制造设备的长度，为设备进一步小型化改造提供空间。

Description

一种用于制备3D打印耗材的浸胶装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于制备3D打印耗材的浸胶装置及方法，属于增材制造领域。

背景技术

连续纤维增强特种工程塑料耗材由熔融温度高、本体强度高的特种工程塑料和连续纤维两部分原材料组成，由于其自身优势和价格低廉，是使用热熔沉积法(FDM)3Ｄ打印技术以制备承载更高、性能更优产品较为常用的原材料之一，且其也是制件组成基本材料，材料性能影响着制件的力学性能、使用性能等。

目前，耗材制备一般采用熔融预浸法，是将连续纤维施加张力、展开、在熔融的树脂内预浸、口模定型等，实现原料的复合和直径的定型。现有技术一般使用的浸胶辊是截面圆形固定辊或两个活动的圆形活动辊组成，纤维受到牵引力后在辊表面的接触面积很小，一般情况下接触路径不超过辊周长的50%，同时在小的接触面积上需要承受设备的牵引张力，使得纤维束受到挤压摩擦后断丝现象严重、影响线材的力学强度，且由于浸胶过程中胶液热塑性树脂粘度大、采用上述浸胶辊使得纤维浸润困难，丝束内部常有干纱，同时热塑性树脂具有较高的成型温度和熔融粘度，需要较长的制造流水线，占用的面积大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提出一种用于制备3D打印耗材的浸胶装置和方法。

本发明的技术解决方案：一种用于制备3D打印耗材的浸胶装置，包括具有保温层的封闭壳体，以及依次设置在壳体内部的纤维预热口模、张力辊、导向辊、各级导向口模和终口模，且所述导向辊和第一级导向口模之间还设置鱼梭形浸胶辊；

所述鱼梭形浸胶辊设计如下：所述胶辊主体呈橄榄球形，沿长轴方向呈椭圆形，沿短轴方向的截面为圆形，圆形的直径从两端向中心渐扩，中心外表面两侧分别设有截面为圆形或椭圆形的连接手柄；

进一步的，中心圆形截面直径通过公式（1）确定，

3/4C≥W≥1/2C

其中，W为纱束展开宽度，C为中心圆形截面周长；

优选W=1/2C；

进一步地，所述中心圆形截面直径过小，则浸胶辊起不到作用，直径过大，则导致浸胶辊对纤维纱束的摩擦力和张力增大，影响浸胶效果；

所述纱束展开宽度即展纱宽度，具体指单丝排列后的长度，即所有单丝直径之和；

所述短轴尺寸即为中心圆形截面直径尺寸；

所述长轴尺寸是短轴尺寸的一至三倍，优选两倍；

所述鱼梭形浸胶辊的数量为1个或两个以上，根据浸胶情况和胶液粘度等确定；

所述各级导向口模包括若干级导向口模，根据实际需要进行数量的选择；

进一步地，所述各级口模为圆形部件，通过设计各级口模出口直径，即设计逐渐缩小的出口，以对预浸的纤维逐渐增加张力，将纱束有效的导出浸胶槽，并且能够有效控制纱束的直径；

进一步地，所述一级口模的出口直径最大，其直径小于等于浸胶辊短轴的一半，优选为短轴的四分之一；二级口模出口直径小于等于一级口模的直径的一半，优选为四分之一；依次类推，直至终口模出口直径为最终线材直径尺寸。

本发明还提供一种用于制备3D打印耗材的浸胶方法，采用上述浸胶装置浸胶，其包括如下步骤：

a、纤维纱束经过纤维预热口模进行预热，

b、经预热后的纤维纱束依次沿张力辊、导向辊、鱼梭形浸胶辊、各级导向口模在浸胶液中进行浸胶，然后通过终口模定型即可，

其中，纤维纱束是从鱼梭形浸胶辊一端沿长轴方向逐步受力展开、预浸；

所述步骤b中，纤维纱束经过鱼梭形浸胶辊时，从浸胶辊长轴方向的一个尖端开始展纱，纤维单丝受力均匀分布在浸胶辊表面，接着沿长轴法向，通过浸胶辊圆形截面最大直径部分后，受到来自导向口模的收紧力，纤维丝逐渐收紧成为预浸料束；

所述步骤b中，浸胶液选用热塑性树脂PEEK、PPS、PEI形成的胶液中的任一种；

所述步骤a中，预热口模温度不高于100℃；

所述步骤b中，所述张力辊至终口模都在密闭的绝热箱内，所述各级口模的温度不低于热塑性树脂的熔融温度，所述终口模温度低于热塑性树脂的熔融温度；

所述步骤a中，所述纤维纱束为经过展纱的纱束。

本发明与现有技术相比具有以下特点及优点：

本发明采用鱼梭形浸胶辊，使得纤维纱束从鱼梭形浸胶辊的长轴方向的一个尖端开始受力，给运行的纤维束提供来自随时变方向的力和曲面的路径，如受到来自纤维束的张力、浸胶辊法向力、沿圆周方向的分力等，促使纱束容易塌陷、展开，同时纱束从纤维丝团聚的圆形面慢慢塌陷展开，给予了纤维丝一定的展开的时间和调整的余地，随着法向分力、圆周分力的不断的变换方向，也促进纱束倾向于沿着周向滑移，更有助于开纤，超过纱束宽度的面积也给纤维单丝排列提供足够的空间，同时超薄的纱束更利于树脂的浸润包围，降低干纱的出现概率，浸胶辊不仅浸胶效果优异，展纱效果也是同样明显；且通过设计中鱼梭形浸胶辊尺寸，在保证浸胶辊能够起到作用的同时，有效控制其对纱束的摩擦力等，得到好的浸胶效果；另外，本发明通过设计各级口模出口直径，即设计逐渐缩小的出口，以对预浸的纤维逐渐增加张力，将纱束有效的导出浸胶槽，并且能够有效控制纱束的直径；

采用本发明的浸胶装置和方法，提高了纤维的浸润效果，基本上杜绝了“干纱”现象，解决了难浸润的问题；纤维损伤率降至原来的一半以上，保持了纤维本身的强度，同时该装置也有助于实现连续纤维增强耗材的规模化连续生产，而且还缩短制造设备的长度，为设备进一步小型化改造提供空间。

附图说明

图1为本发明提供的的一种用于制备3D打印耗材的浸胶装置的一种实施例的结构示意图，

图2为本发明提供方法一种用于制备3D打印耗材的浸胶方法一种实施例的流程图，

图3为本发明提供的鱼梭形预浸辊的短轴方向剖面图，

图4为本发明提供的鱼梭形预浸辊的长轴方向剖面图。

具体实施方式

采用图1所示的浸胶装置对纤维纱束进行浸胶，其中选定鱼梭形预浸辊数量为一个，短轴尺寸为68mm，长轴尺寸为136mm；口模设置如下：一级导向口模直径为18mm，二级导向口模直径为4.5mm，终口模直径为3mm；

浸胶过程中，纤维纱束采用成型直径为3mm且展开宽度为140mm的纱束，浸胶液采用热塑树脂PEEK，温度设定如下：预热口模100℃，一级口模、二级口模380℃，终口模360℃，如图2流程图所示，纤维纱束经过纤维预热口模进行预热，然后依次沿张力辊、导向辊、鱼梭形浸胶辊、各级导向口模进行浸胶，然后通过终口模定型，得到预浸料束，出口模后继续对预浸料束进行牵引、收卷和冷却即得到线材。经检测发现，上述浸胶过程中，纤维浸润均匀，且所得到的产品基本不含“干纱”，纤维基本无损伤，保持了纤维本身的强度。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种用于制备3D打印耗材的浸胶装置，包括具有保温层的封闭壳体，以及依次设置在壳体内部的纤维预热口模、张力辊、导向辊、各级导向口模和终口模，其特征在于：所述导向辊和一级导向口模之间还设置有鱼梭形浸胶辊；

所述浸胶辊主体呈橄榄球形，沿长轴方向呈椭圆形，沿短轴方向的截面为圆形，圆形的直径从两端向中心渐扩，其中，纤维丝束从鱼梭形浸胶辊的一个尖端沿浸胶辊主体长轴方向从浸胶辊主体表面通过；所述浸胶辊短轴尺寸即为中心圆形截面直径尺寸，所述长轴尺寸是短轴尺寸的一至三倍。

2.根据权利要求1所述的浸胶装置，其特征在于：所述浸胶辊中心圆形截面直径通过下述公式确定，

3/4C≥W≥1/2C 公式（1）

其中，W为纱束展开宽度，C为中心圆形截面周长。

3.根据权利要求1所述的浸胶装置，其特征在于：所述各级导向口模包括若干级导向口模。

4.根据权利要求3所述的浸胶装置，其特征在于：所述一级导向口模的出口直径最大，其直径小于等于浸胶辊短轴尺寸的一半；二级导向口模出口直径小于等于一级导向口模的直径的一半；依次类推，直至终口模出口直径为最终线材直径尺寸。

5.一种用于制备3D打印耗材的浸胶方法，采用权利要求1-4任一项所述的浸胶装置对纤维纱束浸胶，其特征在于，包括如下步骤：

a、纤维纱束经过纤维预热口模进行预热；

b、经预热后的纤维纱束依次沿张力辊、导向辊、鱼梭形浸胶辊、各级导向口模在浸胶液中进行浸胶，然后通过终口模定型即可，

其中，纤维纱束是从鱼梭形浸胶辊一端沿长轴方向逐步受力展开、预浸。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：预热口模温度不高于100℃。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述浸胶液选用热塑性树脂PEEK、PPS、PEI形成的胶液中的任一种。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述张力辊至终口模都在密闭的绝热箱内，所述各级导向口模的温度不低于热塑性树脂的熔融温度，所述终口模温度低于热塑性树脂的熔融温度。

Images