CN108189386A - 一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，该方法通过在树脂材料中预混不同含量和规格的短纤维，实现了连续纤维和短纤维复合作用增强的复合材料件的三维打印成形，改善其整体机械性能。该方法中包括连续纤维打印部分、制线部分、信号采集和控制部分。通过制线部分提前将不同规格的短纤维加入到树脂线材中，打印过程中预混短纤维树脂线材5与多种规格的连续纤维6在浸渍腔室7中实现充分混合浸渍，在送丝机构4的控制下实现连续挤出，层层堆积于成型平台10。本方法具有打印精度高、成型件纤维含量高的优点，解决了三维打印连续纤维增强复合材料Z向力学性能差的问题，改善层间结合和单道间结合质量。

Description

一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法
技术领域
本发明属于3D打印(增材制造)领域，具体涉及一种可实现连续纤维、短纤维复合作用增强树脂基复合材料三维打印成形方法。
背景技术
相较于传统的切削加工技术，3D打印(增材制造)技术是一种采用材料逐层累加的“自下而上”的制造实体零件的技术。3D打印技术结合了现有的工业自动化和计算机辅助设计等，具有自动化程度高、成形速度快和原材料利用率高的优点，可实现设计和制造过程的数字化。目前，世界各国均在加大3D打印技术的投入，并研制出多种3D打印方法，在电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、艺术设计等领域得到广泛应用。
连续纤维增强复合材料具有高的比强度、疲劳强度，优异的耐磨性和耐蚀性，以及高的尺寸稳定性，已被广泛应用于航空航天和汽车制造等领域。因此，使用3D打印方法实现连续纤维增强复合材料的成型已成为多家科研机构的研究方向。目前，主要应用类似于FDM(熔融沉积成型)的方法，将连续纤维和树脂丝材熔化混合，并层层沉积于打印平台。该方法制作的成型件在纤维铺展方向的力学性能优异，已超过传统三维编织、针织成型的连续纤维复合件。但是，在Z向(打印层的法线方向)上的性能较差，具有较差的层间剪切强度和较差的界面性能。在成型件的工作过程中，外力作用往往会导致层间脱落或断裂的情况发生。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术上存在的上述缺点，提供一种可实现连续纤维、短纤维复合作用Z向增强的复合材料形方法，提高成型件的层间剪切强度和界面性能，具有打印精度高、成型件纤维含量高的特点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
使用纤维切断器1将长纤维切成预设长度的短纤维，与预设型号的树脂一起加入到预混机2中，通过制线机3将其拉成预混短纤维树脂线材5，用于后续打印。多个送丝机构4将可分别将不同短纤维纤维尺寸和含量的预混短纤维树脂线材5与连续纤维6在浸渍腔室7中预混合，充分接触浸润，使树脂尽可能包裹于每根纤维丝。浸渍腔室7外为加热机构8，其控制整个连续纤维打印系统的温度场，尤其是加热段长度，可实现预混短纤维树脂线材5的快速熔化。浸渍腔室7下方连接具有特殊形状的打印喷嘴9，可在不损坏纤维的情况下使连续纤维和树脂的混合物挤出。以上浸渍腔室7、加热机构8和喷嘴9结合后置于三维运动平台10，可实现三维精确移动。
信号采集和控制部分11包括控制卡12、多个温度传感器13、图像传感器14、计算机15。通过计算机15绘制三维模型、经切片后生成G代码，交由控制卡12控制各个打印环节不同机构的状态，例如，送丝速度、加热温度、喷头移动速度等。多个温度传感器13采集打印平台、加热机构8、喷嘴9的温度并实时上传于计算机15中。图像传感器14可实时监控打印效果，上传于计算机修正打印参数，用于形成闭环系统。
所述的使用纤维切断器1将连续纤维切成的短纤维尺寸为2mm-50mm，可以为碳纤维或玻璃纤维或有机纤维。
所述的连续纤维打印系统可具有多个送丝机构4，分别实现多种预混短纤维树脂线材5和连续纤维的定速送丝，此处，多种树脂主要指PLA(聚乳酸)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PI(聚酰亚胺)、PEEK(聚醚醚酮)，连续纤维可以为多种规格的如1K、3K、6K、11K等碳纤维或玻璃纤维、有机纤维。
本发明的有益效果：本发明创造性的将短纤维引入连续纤维打印技术中，两个打印层16中存在随机取向的短纤维，短纤维通过树脂与上下两层紧密结合，其在层间具有多种位置形态，当短纤维搭接于上下两层连续纤维增强树脂层中时，即为Z向增强短纤维17，起钉扎作用。当外力施加于成型件Z向时，短纤维可抵抗层间脱落。当短纤维搭接于相邻几个成型单道18间时，即为单道间结合增强短纤维20，单道与单道间垂直方向的结合强度大大增加。此外，本发明中，由于预混短纤维树脂线材5中包含较高体积分数的纤维，结合沉积过程中加入的连续纤维，可大大提高成型件中的纤维含量，获得更优异的力学性能。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明方法的打印示意图
图2是复合材料成型件Z向层间结合强度增强原理图
图3是复合材料成型件单道和单道间结合强度增强原理图
图4是打印喷嘴通孔类型图
图中：1、纤维切断器，2、预混机，3、制线机，4、送丝机构，5、预混短纤维树脂线材，6、长纤维，7、浸渍腔室，8、加热机构，9、喷嘴，10、三维运动平台，11、信号采集和控制部分，12、控制卡，13、温度传感器，14、图像传感器，15、计算机，16、打印层，17、Z向增强短纤维，18、成型单道，20、单道间结合增强短纤维
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1，使用纤维切断器1将长纤维切成预设长度的短纤维，与预设型号的树脂一起加入到预混机2中，通过制线机3将其拉成预混短纤维树脂线材5，用于后续打印。多个送丝机构4将可分别将不同短纤维纤维尺寸和含量的预混短纤维树脂线材5与连续纤维6在浸渍腔室7中预混合，充分接触浸润，使树脂尽可能包裹于每根纤维丝。浸渍腔室7外为加热机构8，其控制整个连续纤维打印系统的温度场，尤其是加热段长度，可实现预混短纤维树脂线材5的快速熔化。浸渍腔室7下方连接具有特殊形状的打印喷嘴9，可在不损坏纤维的情况下使连续纤维和树脂的混合物挤出。以上浸渍腔室7、加热机构8和喷嘴9结合后置于三维运动平台10，可实现三维精确移动。
信号采集和控制部分11包括控制卡12、多个温度传感器13、图像传感器14、计算机15。通过计算机15绘制三维模型、经切片后生成G代码，交由控制卡12控制各个打印环节不同机构的状态，例如，送丝速度、加热温度、喷头移动速度等。多个温度传感器13采集打印平台、加热机构8、喷嘴9的温度并实时上传于计算机15中。图像传感器14可实时监控打印效果，上传于计算机修正打印参数，用于形成闭环系统。
使用纤维切断器1将长纤维切成的短纤维尺寸为2mm-50mm，可以为碳纤维或玻璃纤维或有机纤维。该打印系统具有多个送丝机构4，分别实现多种预混短纤维树脂线材5和连续纤维的定速送丝，此处，多种树脂主要指PLA(聚乳酸)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PI(聚酰亚胺)、PEEK(聚醚醚酮)，连续纤维可以为多种规格的如1K、3K、6K、11K等碳纤维或玻璃纤维、有机纤维。将短纤维引入连续纤维打印技术中，两个打印层16中存在随机取向的短纤维，短纤维通过树脂与上下两层紧密结合，其在层间具有多种位置形态，当短纤维搭接于上下两层连续纤维增强树脂层中时，即为Z向增强短纤维17，起钉扎作用。当外力施加于成型件Z向时，短纤维可可抵抗层间脱落。当短纤维搭接于相邻几个成型单道18间时，即为单道间结合增强短纤维20，单道与单道间垂直方向的结合强度大大增加。

Claims (10)

1.一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：为实现该方法的打印效果，需设计连续纤维打印部分、制线部分、信号采集和控制部分；所述的连续纤维打印部分主要实现预混短纤维树脂线材5的送丝，连续纤维6的送丝，两种材料在浸渍腔室加热并充分混合浸润，连续打印于具有加热功能的成型平台10，在成型件中连续纤维打印层间、单道间存在短纤维增强，并通过树脂连接在一起；制线部分主要用于成形预混短纤维树脂线材5；信号采集和控制系统辅助连续纤维打印部分，通过参数采集和分析实时控制打印过程中各个环节的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：制线部分包括纤维切断器1、预混机2、制线机3，纤维切断器1用于制作长度为2mm-50mm的短切纤维，可以为碳纤维或玻璃纤维或有机纤维。将短纤维与预设型号的树脂在预混机2混合，并通过制线机制得预混短纤维树脂线材5。
3.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：连续纤维打印部分包括多个送丝机构4、浸渍腔室7、加热机构8、打印喷嘴9、三维运动平台10。加热机构8控制整个连续纤维打印部分的温度场，控制加热段长度、实现预混短纤维树脂线材5的快速熔化。预混短纤维树脂线材5和连续纤维6在浸渍腔室中预混合，充分接触浸润，使树脂尽可能包裹于每根纤维丝，并以一定速度通过特定结构打印喷嘴9挤出。该打印喷嘴9可减少纤维束损坏，并控制成型单道的形状和尺寸。
4.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：信号采集和控制部分11包括控制卡12、多个温度传感器13、图像传感器14、计算机15。通过计算机15绘制三维模型、经切片后生成G代码，交由控制卡12控制各个打印环节不同机构的状态。多个温度传感器13采集打印平台、喷嘴、加热机构的温度并实时上传于计算机中。图像传感器14可实时监控打印效果，上传数据于计算机，修正打印参数，形成闭环系统。
5.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：所述的成型平台10具有加热功能，可防止打印过程中产生翘曲等缺陷，加热方式可以为电阻丝加热或激光加热或轧辊加热。当采用电阻丝加热时，电阻丝位于成型平台内部，以一定方式分布，控制平台表面达到预设温度。当采用激光加热或轧辊加热时，激光或轧辊对已成型层进行预热，然后打印复合材料于预热层上。
6.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：打印喷嘴9的通孔尺寸和形状具有很大灵活性，如图4所示，可以为圆形，直径从0.1-2mm；可以为椭圆形或带倒角的长方形，从而实现特定形状树脂和纤维混合物的喷射沉积，该方式也可以在某一维度上限制短纤维的取向。
7.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：两个打印层16中存在随机取向的短纤维，短纤维通过树脂与上下两层紧密结合，其在层间具有多种位置形态，当短纤维搭接于上下两层连续纤维增强树脂层中时，即为Z向增强短纤维17，起钉扎作用。当外力施加于成型件Z向时，短纤维可抵抗层间脱落。
8.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：两个打印的连续纤维增强树脂单道9中存在自由取向的短纤维，短纤维在单道间具有多种位置形态，当短纤维搭接于相邻几个成型单道18间时，即为单道间结合增强短纤维20，单道与单道间垂直方向的结合强度大大增加。
9.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：所述的连续纤维打印部分可具有多个送丝机构4，分别实现预混短纤维树脂线材5和连续纤维6的定速送丝，此处，多种树脂主要指PLA(聚乳酸)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PI(聚酰亚胺)、PEEK(聚醚醚酮)，连续纤维可以为多种规格的如1K、3K、6K、11K等碳纤维或玻璃纤维、有机纤维。
10.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：所述的浸渍腔室7内长短纤维和树脂可充分混合，并通过调节送丝速度，实现不同的混合配比，从而精确控制沉积层中的纤维体积分数。由于预混短纤维树脂线材5中包含较高体积分数的纤维，结合沉积过程中加入的连续纤维6，可大大提高成型件中的纤维含量，获得更优异的力学性能。
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