CN108248015A - 一种连续纤维增强复合材料三维打印成形方法 - Google Patents

一种连续纤维增强复合材料三维打印成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可实现连续纤维增强复合材料三维打印的方法，该方法中连续纤维可充分浸渍，从而提升成型件的内部界面结合质量；减少了成型件内部孔隙率，提升其力学性能。在该方法中，将连续纤维与光敏树脂混合，置于打印喷头中充分浸润，并在纤维的拖拽下以一定速度挤出，光敏树脂遇紫外光源迅速固化凝结，沉积在加热底板上堆积成形。通过控制连续纤维送丝、光敏树脂补液，喷头挤出等环节，可以实现任意比例连续纤维复合材料的成形。本发明提出的方法提高了连续纤维增强复合材料的纤维/树脂界面的结合强度，改善了树脂基复合材料成型件的层间结合效果；以该方法为原理的装置可实现任意高纤维体积分数复合材料的快速、精确、低成本制造。

Description

一种连续纤维增强复合材料三维打印成形方法
技术领域
本发明属于三维打印(增材制造)领域，具体涉及一种可实现连续纤维增强复合材料的成形方法。
背景技术
三维打印，也被称为增材制造(AM)或快速原型制造(RP)，该技术首先将工件的三维模型层层切片并数字化，然后选择一种打印方法将材料按一定路径层层堆积成形。该方法区别于传统切削加工等减材制造，通过降维制造减少了复杂结构件的加工难度。三维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。传统的三维打印技术主要面向航空航天、汽车电子等领域，众多科研机构将重心放在金属件的打印。但是，由于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等优点，并在波音和空客等打飞机上大面积应用，部分高校和科研单位也将其列为重点发展方向。在三维打印复合材料中应用的树脂种类众多，如环氧树脂，丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)，聚乳酸(PLA)，聚酰胺(PA)和聚碳酸酯(PC)等热固性和热塑性聚合物材料。其中，环氧树脂是反应性材料，需要紫外线辅助固化来完成聚合过程，并且它们最初表现出低粘度，随着固化进行而升高。
目前，连续纤维增强复合材料三维打印成形主要采用类似于熔融沉积成型(FDM)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。该方法打印成本低、打印精度较高。但是，由于喷头内部熔融段较短，树脂和纤维无法充分浸润，成型件Z向(打印层的法线方向)上的性能较差，而且打印单道与单道间存在很多孔隙，在工作过程中，外力作用往往会导致层间脱落或断裂的情况发生。此外，难以控制成型件的纤维体积分数，难以实现高纤维体积分数复合材料的制造。
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增强复合材料的成形方法，有效提高了复合材料成型件的层间结合强度，减少了成型件内部孔隙率，同时也提高了成型件的纤维体积分数，改善了复合材料的综合力学性能。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
送丝机构5将连续纤维4以一定速度送入喷头内腔8，打开电磁阀9，树脂在树脂泵11的作用下以一定速度从储液池12通过连接管路10输送到喷头内腔8。充分接触浸润，使树脂尽可能包裹于每根纤维丝。喷头内腔8下方连接具有特殊尺寸的打印喷嘴7，可在不损坏纤维的情况下使连续纤维和树脂的混合物以一定速度流出。以上喷头部分的喷嘴7和喷头内腔8置于三维运动平台13上，可实现三维精确移动。
激光器1产生紫外光源，在扫描器件2的作用下，可实现激光束3的自由扫描。扫描器件2采用双振镜模块，设置在激光束的汇聚光路中，防止光斑直径过大丢失较小尺寸的零件细微特征。当连续纤维4和树脂的混合物从喷嘴处流出至加热底板14表面，令激光束3聚焦到未凝固的树脂上，经反应固化后，形成打印单道18，通过预设不同的喷嘴移动轨迹可形成不同二维形貌的图形，层层堆积即可形成三维成型件。
加热底板14固定于三维运动平台13底部，内含温度传感器和陶瓷加热棒，在打印过程中，设定合适的加热底板温度，改善打印质量，防止翘曲等缺陷的产生。
信号采集和控制系统包括控制卡15、多个温度传感器16、计算机17。通过计算机绘制三维模型、经切片后生成G代码，交由控制卡控制各个打印环节不同机构的状态，例如，送丝速度、底板加热温度、喷头移动速度等。温度传感器采集加热底板14、打印环境的温度并实时上传于计算机中。
打印过程中使用的树脂为光敏树脂，由树脂单体及预聚体组成,含有活性官能团，能在紫外光照射下由光敏剂引发聚合反应，包括环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯等。连续纤维可以为多种规格的如1K、3K、6K、12K等碳纤维或玻璃纤维、有机纤维。
本发明的有益效果：
1.本发明提出的方法实现了连续纤维增强复合材料的三维打印成形，使用的光敏树脂基体常温常压下为液态，与连续纤维4在喷头内腔8中可实现充分混合浸润，提高了连续纤维增强复合材料的纤维/树脂界面的结合强度，改善成型件层间结合性能。
2.本发明使用树脂在常温常压下为液态，下落至加热底板14后可迅速填充打印单道18与单道间18的孔隙19，从而减少打印成型件的孔隙率，改善其力学性能。
3.本发明中连续纤维4在送丝机构5的驱动作用下以一定速度进入喷头部分，树脂在树脂泵11的驱动下以一定速度进入喷头部分，二者均可定量供给，实现任意比例的纤维/树脂混合，可实现高纤维体积分数复合材料的制造。
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是成型件单道和单道间结合示意图
图中：1、激光器，2、扫描器件，3、激光束，4、连续纤维，5、送丝机构，6、丝材保护管，7、喷嘴，8、喷头内腔，9、电磁阀，10、连接管路，11、树脂泵，12、储液池，13、三维运动平台，14、加热底板，15、控制卡，16、温度传感器，17、计算机，18、打印单道，19、孔隙
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，送丝机构5将连续纤维4以一定速度送入喷头内腔8，打开电磁阀9，树脂在树脂泵11的作用下以一定速度从储液池12通过连接管路10输送到喷头内腔8。充分接触浸润，使树脂尽可能包裹于每根纤维丝。喷头内腔8下方连接具有特殊尺寸的打印喷嘴7，可在不损坏纤维的情况下使连续纤维和树脂的混合物以一定速度流出。以上喷头部分的喷嘴7和喷头内腔8置于三维运动平台13上，可实现三维精确移动。
激光器1产生紫外光源，在扫描器件2的作用下，可实现激光束3的自由扫描。扫描器件2采用双振镜模块，设置在激光束的汇聚光路中，防止光斑直径过大丢失较小尺寸的零件细微特征。当连续纤维4和树脂的混合物从喷嘴处流出至加热底板14表面，令激光束3聚焦到未凝固的树脂上，经反应固化后，形成打印单道18，通过预设不同的喷嘴移动轨迹可形成不同二维形貌的图形，层层堆积即可形成三维成型件。
加热底板14固定于三维运动平台13底部，内含温度传感器和陶瓷加热棒，在打印过程中，设定合适的加热底板温度，改善打印质量，防止翘曲等缺陷的产生。
信号采集和控制系统包括控制卡15、多个温度传感器16、计算机17。通过计算机绘制三维模型、经切片后生成G代码，交由控制卡控制各个打印环节不同机构的状态，例如，送丝速度、底板加热温度、喷头移动速度等。温度传感器采集加热底板14、打印环境的温度并实时上传于计算机中。
参照图2，成型件的打印单道18和打印单道18间有较多孔隙19，未凝固树脂可迅速填充孔隙19，从而减少成型件的孔隙率，提升最终打印质量。成型件中的连续纤维4位于打印单道18的中部，具有最好的增强效果。
本发明打印过程中使用的树脂为光敏树脂，由树脂单体及预聚体组成,含有活性官能团，能在紫外光照射下由光敏剂引发聚合反应，包括环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯等。连续纤维可以为多种规格的如1K、3K、6K、12K等碳纤维或玻璃纤维、有机纤维。液态树脂和连续纤维的充分浸润，提高了连续纤维增强复合材料的纤维/树脂界面的结合强度，减小成型件内部孔隙率，实现了增材制造复合材料的层间增强；任意比例的纤维/树脂混合，实现了高纤维体积分数复合材料的快速、精确、低成本制造。

Claims (10)

1.一种连续纤维增强复合材料三维打印成形方法，其特征在于：该方法将连续纤维与光敏树脂混合，充分浸润，并在纤维的拖拽下以一定速度挤出，光敏树脂遇紫外光源迅速固化凝结，层层堆积形成连续纤维增强树脂基复合材料。
2.一种连续纤维增强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，需设置运动部分、光源部分、送丝部分、补液部分、喷头部分、加热底板和数据采集和控制模块等硬件，并通过控制软件实现各个环节的高效有序运行，形成一套连续纤维增强复合材料三维打印装置。
3.一种连续纤维增强复合材料三维打印成形方法，其特征在于：所述的运动部分为三维运动平台13，喷头部分固定在平台上，可实现xyz三轴任意方向运动，从而实现层层打印；所述的光源部分常用氦－镉激光器或氩离子激光器作为激光器1，扫描器件2采用双振镜模块，设置在激光束的汇聚光路中，防止光斑直径过大丢失较小尺寸的零件细微特征，该部分主要发射激光束3。
4.一种连续纤维增强复合材料三维打印成形方法，其特征在于：所述的送丝部分包括连续纤维4、送丝机构5、丝材保护管6，其中连续纤维4在送丝机构5的驱动作用下以一定速度进入喷头部分；
连续纤维置于丝材保护管6中，管两端与送丝机构5和喷头部分连接，防止连续纤维与外界摩擦变松散；所述的喷头部分包括喷嘴7、喷头内腔8，喷嘴7安装于喷头部分底端，孔径可根据需求在一定范围变化，为防止堵塞需定期更换。喷头内腔8位于喷头部分内部，连续纤维和树脂在此处混合，充分浸润。
5.一种连续纤维增强复合材料三维打印成形方法，其特征在于：所述补液部分主要包含电磁阀9、连接管路10、树脂泵11、储液池12，其主要作用为对喷头内部实施树脂的定量补给；树脂泵11将储液池12内的树脂液通过连接管路10输送到喷头内腔8；储液池通过连接管路10和喷头部分连接，不仅能实现树脂供给，也可实现回抽树脂作用，连接管路10中接有电磁阀9，控制树脂流的通断，防止树脂溢出。
6.一种连续纤维增强复合材料三维打印成形方法，其特征在于：所述的加热底板14固定于三维运动平台13底部，内含温度传感器和陶瓷加热棒，在打印过程中，设定合适的加热底板14温度可改善打印质量，防止翘曲等缺陷的产生。
7.一种连续纤维增强复合材料三维打印成形方法，其特征在于：所述的数据采集和控制模块，包括控制卡15和温度传感器16、计算机17；通过计算机17绘制三维模型、经切片后生成G代码，通过控制软件处理，发出控制信号至控制卡15实现各个打印环节不同机构的正常运行；温度传感器16采集喷头部分、加热底板14的温度并实时上传于计算机中。
8.一种连续纤维增强复合材料三维打印成形方法，其特征在于：所述的连续纤维4和树脂在喷头内腔充分混合浸润，可精确控制混合时间，提高了连续纤维增强复合材料的纤维/树脂界面的结合强度，实现了增材制造复合材料的层间增强。
9.一种连续纤维增强复合材料三维打印成形方法，其特征在于：所述的树脂在常温常压下为液态，下落至加热底板14后可迅速填充打印单道18与单道间18的孔隙19，从而减少打印成型件的孔隙率，改善其力学性能，连续纤维4均匀的分布在树脂内部，具有最好的增强效果。
10.一种连续纤维增强复合材料三维打印成形方法，其特征在于：所述的连续纤维4在送丝机构5的驱动作用下以一定速度进入喷头部分，树脂在树脂泵11的驱动下以一定速度进入喷头部分，二者均可定量供给，实现任意比例的纤维/树脂混合，从而实现高纤维体积分数复合材料的制造；所述树脂为光敏树脂由树脂单体及预聚体组成,含有活性官能团，能在紫外光照射下由光敏剂引发聚合反应，包括环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯等；连续纤维4可以为多种规格的如1K、3K、6K、12K等碳纤维或玻璃纤维、有机纤维。
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