CN108407300A - 连续纤维增强树脂基复合材料3d打印丝材制备方法及装置 - Google Patents

连续纤维增强树脂基复合材料3d打印丝材制备方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种连续纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法及装置，方法选取干纤维丝束和常温下为固态的热固性树脂预聚物及其引发剂、热塑性树脂或混合树脂体系作为制备原料，将纤维丝束依次经过多重展纱、分纱、预浸热熔树脂、合纱处理，制得连续纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材；装置包括卷置于放卷机构上的纤维丝束，纤维丝束依次经过夹持机构、张力控制轮后接受由下红外灯和上红外灯发出的红外光双面辐照，辐照后纤维丝束依次经过展纱机构、气流喷射展纱机构后进入预浸槽预浸热熔树脂，浸渍完全后纤维丝束依次经过合纱喷嘴、冷却机构后缠绕在收卷料筒上；本发明使纤维与树脂充分浸润，纤维‑树脂微观界面结合可控，成型构件综合性能优异。

Description

连续纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法及装置
技术领域
本发明涉及复合材料3D打印技术领域，具体涉及一种连续纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法及装置。
背景技术
3D打印技术是一种以数字模型为基础，通过运用金属粉末或塑料的线性丝材等可粘合的材料，以逐层打印或逐层选择性粘结的方式，来构造实体的快速增材制造技术。3D打印耗材是3D打印的物质基础，也是限制3D打印进一步发展应用的瓶颈。目前，3D打印的耗材主要分为陶瓷类、金属类、复合材料类和聚合物类四种。常用的3D打印耗材主要为纯热塑性丝材，包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸(PLA)等。其缺陷是明显的：承载能力弱，层间性能极差，拉伸强度不足等等，这些缺陷严重地限制了其进一步的应用与发展。
根据最新的研究显示，国内外高校及知名企业研发团队均开始尝试将纤维作为增强体复合普通3D打印耗材进行3D打印试验。目前，短切纤维增强热塑性树脂基复合材料3D打印丝材已经制备成功，并且成功商业化应用，而短切纤维加热固性环氧树脂混合挤出打印的方式和连续纤维加热塑性PLA丝材混合挤出打印的方式也已经实现。但是由于短切纤维自身的缺陷，其添加量，纤维长度等始终存在极限；热塑性树脂自身存在的收缩开裂，翘曲变形，耐热性耐腐蚀性差，强度硬度低等诸多缺点；而且只是简单的将干纤维与熔融树脂共混，难以使纤维与树脂充分浸润，导致构件的纤维-树脂界面较差，而且热塑性树脂缺陷明显；整体来说，其对于3D打印成型复合材料构件的性能有所增强，但增强有限。
综上所述，目前并没有实现高性能连续纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备的方法或装置。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种连续纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法及装置，实现连续纤维增强树脂基复合材料构件的3D打印快速成型，使纤维与树脂充分浸润，纤维-树脂微观界面结合可控，成型构件综合性能优异。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案为：
一种连续纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法，选取干纤维丝束和常温下为固态的热固性树脂预聚物及其引发剂、热塑性树脂或混合树脂体系作为制备原料，将纤维丝束依次经过多重展纱、分纱、预浸热熔树脂、合纱处理，制得连续纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材。
所述的干纤维丝束是碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维中的一种或多种，一根或多根。
上述制备方法所采用的装置，包括卷置于放卷机构1上的纤维丝束2，纤维丝束2由放卷机构1放出后依次经过放卷导向圆环3、夹持机构4、导向轮5、张力控制轮6后接受由下红外灯7和上红外灯8发出的红外光双面辐照，经过辐照后纤维丝束依次经过展纱机构、气流喷射展纱机构10后进入预浸槽11预浸热熔树脂，浸渍完全后纤维丝束依次经过合纱喷嘴14、冷却机构15、收卷导向圆环16后缠绕在收卷料筒17上。
所述的放卷导向圆环3和收卷导向圆环16为光滑陶瓷圆环。
所述的张力控制轮6连接力矩电机，通过设置力矩电机参数控制整个流程纤维丝束2的张力大小。
所述的下红外灯7和上红外灯8功率可调，通过功率调节控制红外光产生的高温破坏纤维丝束2表面上浆剂的约束，该温度低于纤维氧化温度。
所述的展纱机构包括依次设置的第一展纱辊9-1、第二展纱辊9-2、第三展纱辊9-3和第四展纱辊9-4，第一展纱辊9-1采用固定设置，第二展纱辊9-2能够沿X轴方向运动并振动，第三展纱辊9-3能够沿Z轴方向运动并振动，第四展纱辊9-4采用固定设置，第二展纱辊9-2、第三展纱辊9-3的振幅、频率可调。
所述的气流喷射展纱机构10垂直于纤维丝束2输送方向喷射气流，冲击纤维丝束2表面，完成展纱。
所述的预浸槽11具有加热、温控和产生超声波的功能，预浸槽11中盛放有树脂13，树脂13经加热后，由固态变为粘流态，并在超声波的作用下驱除气泡，树脂13中浸没有分纱机构12，纤维丝束2在超声波、分纱机构12的双重作用下，浸渍粘流态的树脂13。
所述的合纱喷嘴14的口径根据3D打印设备对耗材丝束直径要求来调节。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
1)本发明可同时满足多种多根纤维丝束复合预浸制丝，树脂选择适用于所有常温下为固态的热塑性树脂，常温下为固态的热固性树脂预聚物包括其固化引发剂，及其混合树脂体系，通过多重展纱、分纱、预浸热熔树脂，合纱，来制备3D打印丝材，树脂含量、树脂分布、丝束直径、丝束截面形状均可控制。
2)本发明连续纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材的制备，可以使纤维与树脂充分浸润，纤维-树脂微观界面结合可控，成型构件综合性能优异。
3)本发明制得适用于3D打印的连续纤维增强树脂基复合材料丝材，综合了树脂和连续纤维丝束的优点，大幅提升了成型构件的各项性能；更重要的是该丝材满足普通的3D打印设备的耗材需求，通过目前3D打印技术的广泛运用，可以极大的普及和拓展了复合材料构件的应用领域。
附图说明
图1是本发明的连续纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步描述。
一种连续纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法，选取干纤维丝束和常温下为固态的热固性树脂预聚物及其引发剂、热塑性树脂或混合树脂体系作为制备原料，将纤维丝束依次经过多重展纱、分纱、预浸热熔树脂、合纱处理，制得连续纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材。
所述的干纤维丝束是碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维中的一种或多种，一根或多根。
参照图1，上述制备方法所采用的装置，包括卷置于放卷机构1上的纤维丝束2，纤维丝束2由放卷机构1放出后依次经过放卷导向圆环3、夹持机构4、导向轮5、张力控制轮6后接受由下红外灯7和上红外灯8发出的红外光双面辐照，夹持机构4由上下两个输送轮组成，经过辐照后纤维丝束依次经过展纱机构、气流喷射展纱机构10后进入预浸槽11预浸热熔树脂，浸渍完全后纤维丝束依次经过合纱喷嘴14、冷却机构15、收卷导向圆环16后缠绕在收卷料筒17上。
所述的放卷导向圆环3和收卷导向圆环16为光滑陶瓷圆环，完成导向功能的同时，不损伤纤维丝束。
所述的张力控制轮6连接力矩电机，通过设置力矩电机参数控制整个流程纤维丝束的张力大小，实现恒张力输送，保证预浸丝束的一致性、均匀性。
所述的下红外灯7和上红外灯8功率可调，通过功率的调节可控制红外光产生的高温破坏纤维丝束2表面上浆剂的约束，该温度低于纤维氧化温度。
所述的展纱机构包括依次设置的第一展纱辊9-1、第二展纱辊9-2、第三展纱辊9-3和第四展纱辊9-4，第一展纱辊9-1采用固定设置，第二展纱辊9-2能够沿X轴方向运动并振动，第三展纱辊9-3能够沿Z轴方向运动并振动，第四展纱辊9-4采用固定设置，第二展纱辊9-2、第三展纱辊9-3的振幅、频率可调。
所述的气流喷射展纱机构10垂直于纤维丝束2输送方向喷射气流，冲击纤维丝束2表面，完成展纱。
所述的预浸槽11具有加热、温控和产生超声波的功能，预浸槽11中盛放有树脂13，经加热后，树脂由固态变为流动性强粘度低的粘流态，并在超声波的作用下驱除气泡，提高传热性，提高分子间运动，改善浸润效果，树脂13中浸没设置有分纱机构12，纤维丝束2在超声波、分纱机构12的双重作用下，浸渍粘流态的树脂13。
所述的合纱喷嘴14口径可根据3D打印设备对耗材丝束直径要求来调节，经过合纱喷嘴14后纤维丝束经过冷却机构15通风冷却，因温度降低树脂又恢复固态，保证收卷时，丝束之间彼此不沾粘，而且具有一定强度、硬度、韧性。
所制备的连续纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材适满足普通的3D打印设备的耗材需求，根据不同设备对耗材的不同要求选择调节纤维、树脂，选择树脂含量、丝束直径、丝束截面形状。

Claims (10)

1.一种连续纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法，其特征在于：选取干纤维丝束和常温下为固态的热固性树脂预聚物及其引发剂、热塑性树脂或混合树脂体系作为制备原料，将纤维丝束依次经过多重展纱、分纱、预浸热熔树脂、合纱处理，制得连续纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的干纤维丝束是碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维中的一种或多种，一根或多根。
3.根据权利要求1所述的方法所采用的装置，其特征在于：包括卷置于放卷机构(1)上的纤维丝束(2)，纤维丝束(2)由放卷机构(1)放出后依次经过放卷导向圆环(3)、夹持机构(4)、导向轮(5)、张力控制轮(6)后接受由下红外灯(7)和上红外灯(8)发出的红外光双面辐照，经过辐照后纤维丝束依次经过展纱机构、气流喷射展纱机构(10)后进入预浸槽(11)预浸热熔树脂，浸渍完全后纤维丝束依次经过合纱喷嘴(14)、冷却机构(15)、收卷导向圆环(16)后缠绕在收卷料筒(17)上。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的放卷导向圆环(3)和收卷导向圆环(16)为光滑陶瓷圆环。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的张力控制轮(6)连接力矩电机，通过设置力矩电机参数控制整个流程纤维丝束2的张力大小。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的下红外灯(7)和上红外灯(8)功率可调，通过功率调节控制红外光产生的高温破坏纤维丝束(2)表面上浆剂的约束，该温度低于纤维氧化温度。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的展纱机构包括依次设置的第一展纱辊(9-1)、第二展纱辊(9-2)、第三展纱辊(9-3)和第四展纱辊(9-4)，第一展纱辊(9-1)采用固定设置，第二展纱辊(9-2)能够沿X轴方向运动并振动，第三展纱辊(9-3)能够沿Z轴方向运动并振动，第四展纱辊(9-4)采用固定设置，第二展纱辊(9-2)、第三展纱辊(9-3)的振幅、频率可调。
8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的气流喷射展纱机构(10)垂直于纤维丝束(2)输送方向喷射气流，冲击纤维丝束(2)表面，完成展纱。
9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的预浸槽(11)具有加热、温控和产生超声波的功能，预浸槽(11)中盛放有树脂(13)，树脂(13)经加热后，由固态变为粘流态，并在超声波的作用下驱除气泡，树脂(13)中浸没有分纱机构(12)，纤维丝束(2)在超声波、分纱机构(12)的双重作用下，浸渍粘流态的树脂(13)。
10.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的合纱喷嘴(14)的口径根据3D打印设备对耗材丝束直径要求来调节。
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