CN109501323B - 复合材料线材制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合材料线材制备装置，包括：成型机构，成型机构包括送丝模具、送脂模具和束型模具，送丝模具用于供应纤维，送脂模具用于供应树脂，送丝模具供应的纤维和送脂模具供应的树脂能够进入束型模具中以成型为线材。通过本发明提供的技术方案，能够解决现有技术中的复合材料的线材难以制备的问题。

Description

复合材料线材制备装置

技术领域

本发明涉及复合材料增材制造技术领域，具体而言，涉及一种复合材料线材制备装置。

背景技术

三维(3D)打印或快速成型(RP)技术，是一种通过材料层层堆积的方式实现三维零件成型的方法。该方法与传统的减材制造相比，一方面提升的加工的几何精度，另一方面大大减少了材料的浪费。此外，该方法还可以实现智能化、数字化的加工和制造，提升了零件试制环节的效率。目前，3D打印技术已应用于教育教学、汽车制造、航空航天等领域。以熔融沉积成型(FDM)打印方法为代表，由于其具有开源、低成本的特点，使得该项技术迅速发展，可以快速设计和制造复杂的3D零件，深得研发人员和业余爱好者的认可。传统的3D打印技术可分为：熔融沉积成型(FDM)、选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、立体光刻(STL)和叠层实体制造(LOM)。在众多打印方法中，FDM技术应用最为成熟和广泛，大部分工业打印机和几乎所有的桌面打印机均以此为原理研制。

传统的3D打印技术主要面向树脂或金属的打印，其中FDM和STL技术可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。但是，这些树脂成型件的力学性能难以满足日益提升的使用需求，这就要求科研工作者寻找一种新型低成本高性能材料作为替代。因此，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的连续纤维增强复合材料被提出并应用于3D打印技术中，部分高校和科研单位也将其列为重点发展方向。某公司已推出了一种连续纤维增强树脂基3D打印机，可以使用连续的玻璃纤维，Kevlar纤维或碳纤维细丝来强化3D打印部件，其力学性能优于传统的FDM打印部件。

目前，连续纤维增强复合材料3D打印成型过程中，主要通过连续纤维和树脂线材的熔化浸润，实时铺放于三坐标打印平台。该方法中，由于纤维和树脂线材在喷头或热压辊处初步混合，熔融段较短，浸渍时间少，无法充分浸润，成型件在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，由于纤维线材具有一定柔性，难以使用送丝机输送，固无法精确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

本发明提供了一种复合材料线材制备装置，以解决现有技术中的复合材料的线材难以制备的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种复合材料线材制备装置，包括：成型机构，成型机构包括送丝模具、送脂模具和束型模具，送丝模具用于供应纤维，送脂模具用于供应树脂，送丝模具供应的纤维和送脂模具供应的树脂能够进入束型模具中以成型为线材。

进一步地，送丝模具具有用于穿设纤维的通道，送脂模具具有用于容纳树脂的容纳腔，束型模具具有束型腔，通道和容纳腔均与束型腔连通。

进一步地，送丝模具穿设在送脂模具中，成型机构还包括：第一加热部，穿设在送脂模具中。

进一步地，复合材料线材制备装置还包括：供纤机构，用于向送丝模具中供应纤维；挤出机构，用于向送脂模具中供应树脂。

进一步地，供纤机构包括：第一辊筒，可转动地设置，第一辊筒用于释放纤维；导向部，导向部用于对第一辊筒释放的纤维进行导向。

进一步地，导向部包括：框架；多个导向柱，设置在框架上，多个导向柱围绕形成用于穿设纤维的第一导向孔。

进一步地，挤出机构包括：料斗，用于放置树脂；螺旋挤出部，螺旋挤出部的一端与料斗连通，螺旋挤出部的另一端与送脂模具连通；第二加热部，设置在螺旋挤出部的外侧。

进一步地，复合材料线材制备装置还包括：收线机构，收线机构用于收纳线材。

进一步地，收线机构包括第二辊筒，第二辊筒可转动地设置以缠绕线材，复合材料线材制备装置还包括：导向机构，设置在成型机构和收线机构之间，导向机构用于对线材进行导向。

进一步地，导向机构包括：束型框，束型框上具有第二导向孔；直线运动部，束型框设置在直线运动部上，直线运动部用于带动束型框沿第二辊筒的延伸方向往返移动。

进一步地，复合材料线材制备装置还包括：张紧机构，设置在成型机构和收线机构之间，张紧机构用于张紧线材。

进一步地，复合材料线材制备装置还包括：冷却机构，设置在成型机构和收线机构之间，冷却机构用于冷却线材。

应用本发明的技术方案，在复合材料线材制备装置中设置成型机构，成型机构包括送丝模具、送脂模具和束型模具，这样可将送丝模具供应的纤维和送脂模具供应的树脂同步输送到束型模具，纤维在树脂中充分浸润后成型为复合材料的线材。通过本发明的技术方案可以便于复合材料线材的成型，并且使得线材具有良好的力学性能。

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示出了本发明的实施例提供的复合材料线材制备装置的结构示意图；

图2示出了图1中的成型机构的结构示意图；

图3示出了图1中的供纤机构的结构示意图；

图4示出了供纤机构中的导向部的结构示意图；

图5示出了图1中的挤出机构的结构示意图；

图6示出了图1中的导向机构的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、成型机构；11、送丝模具；12、送脂模具；121、容纳腔；13、束型模具；14、第一加热部；20、供纤机构；21、第一辊筒；22、框架；23、导向柱；30、挤出机构；31、料斗；32、螺旋挤出部；33、第二加热部；40、收线机构；50、导向机构；51、束型框；52、直线运动部；60、张紧机构；70、冷却机构；80、显示模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图6所示，本发明的实施例提供了一种复合材料线材制备装置，包括：成型机构10，成型机构10包括送丝模具11、送脂模具12和束型模具13，送丝模具11用于供应纤维，送脂模具12用于供应树脂，送丝模具11供应的纤维和送脂模具12供应的树脂能够进入束型模具13中以成型为线材。

应用本实施例的技术方案，在复合材料线材制备装置中设置成型机构10，成型机构10包括送丝模具11、送脂模具12和束型模具13，这样可将送丝模具11供应的纤维和送脂模具12供应的树脂同步输送到束型模具13，纤维在树脂中充分浸润后成型为复合材料的线材。通过本实施例的技术方案可以便于复合材料线材的成型，并且使得线材具有良好的力学性能。

如图2所示，送丝模具11具有用于穿设纤维的通道，送脂模具12具有用于容纳树脂的容纳腔121，束型模具13具有束型腔，通道和容纳腔121均与束型腔连通。这样可使得纤维和树脂充分接触，纤维在树脂中充分浸润后，纤维和树脂同步进入到束型腔中成型为线材。

在本实施例中，束型模具13的开口为锥形，这样可以便于纤维和树脂进入束型腔中。如图2所示，可以将送丝模具11的端部也设置为锥形，以便于伸入到束型模具13的开口。在本实施例中，送丝模具11与束型模具13间隔设置，融化的树脂能够流入到送丝模具11与束型模具13之间的间隙，这样便于纤维在树脂中充分浸润。在本实施例中，束型腔的截面可以设置为圆形、方形等形状，以使成型的线材具有特定的截面形状。

在本实施例中，送丝模具11穿设在送脂模具12中，成型机构10还包括：第一加热部14，穿设在送脂模具12中。通过设置第一加热部14可便于对树脂以及纤维加热，以使纤维和树脂成型为线材。

在本实施例中，复合材料线材制备装置还包括：供纤机构20，用于向送丝模具11中供应纤维；挤出机构30，用于向送脂模具12中供应树脂。这样可以连续供应纤维和树脂以实现连续生产。

如图3所示，供纤机构20包括：第一辊筒21，可转动地设置，第一辊筒21用于释放纤维；导向部，导向部用于对第一辊筒21释放的纤维进行导向。在使用时可将缠绕好的筒状纤维套在第一辊筒21上，通过第一辊筒21的转动释放纤维。供纤机构20还包括联轴器和电机，电机通过联轴器驱动第一辊筒21转动。在本实施例中，还可以设置锥形的限位结构对第一辊筒21上的纤维进行限位。

如图4所示，导向部包括：框架22；多个导向柱23，设置在框架22上，多个导向柱23围绕形成用于穿设纤维的第一导向孔。这样第一导向孔可对纤维起到导向作用，而且，具有弧形表面的导向柱23与纤维接触，可以减小纤维的磨损。

如图5所示，挤出机构30包括：料斗31，用于放置树脂；螺旋挤出部32，螺旋挤出部32的一端与料斗31连通，螺旋挤出部32的另一端与送脂模具12连通；第二加热部33，设置在螺旋挤出部32的外侧。这样可通过螺旋挤出部32的运动将料斗31中的树脂输送到送脂模具12中。通过设置第二加热部33可以将固体树脂融化，以便于后续成型。在本实施例中，螺旋挤出部32包括壳体和设置在壳体内的螺旋杆，通过螺旋杆的转动带动树脂移动。

如图1所示，复合材料线材制备装置还包括：收线机构40，收线机构40用于收纳线材。这样可通过收线机构40将成型的线材集中收集。

在本实施例中，收线机构40包括第二辊筒，第二辊筒可转动地设置以缠绕线材，复合材料线材制备装置还包括：导向机构50，设置在成型机构10和收线机构40之间，导向机构50用于对线材进行导向。通过设置导向机构50便于将线材缠绕到第二辊筒上。

如图6所示，导向机构50包括：束型框51，束型框51上具有第二导向孔；直线运动部52，束型框51设置在直线运动部52上，直线运动部52用于带动束型框51沿第二辊筒的延伸方向往返移动。通过第二导向孔可以对线材进行引导。通过直线运动部52带动束型框51沿第二辊筒的延伸方向往返移动，可以将线材均匀缠绕到第二辊筒的不同位置。

在本实施例中，复合材料线材制备装置还包括：张紧机构60，设置在成型机构10和收线机构40之间，张紧机构60用于张紧线材。通过张紧机构60可以将线材张紧，这样便于缠绕线材。张紧机构60可实时监测线材的张紧力，通过对放纤和收线速度的控制维持成型过程中张紧力的稳定。

在本实施例中，复合材料线材制备装置还包括：冷却机构70，设置在成型机构10和收线机构40之间，冷却机构70用于冷却线材。通过冷却机构70可以对从成型机构10输出的线材进行冷却，使线材定型。冷却机构70处于成型机构10的出口处，实现连续纤维增强树脂基3D打印线材的快速冷却成型，防止树脂团聚或滴落。

在本实施例中，复合材料线材制备装置还包括显示模块80，通过显示模块80便于显示信息并对其他部件进行控制。显示模块一方面可实现对线材成型过程中各个环节的控制需求，另一方面可实时显示和设定张紧力、成型速度、成型温度等参数。

为了便于理解本方案，下面对复合材料线材制备装置的使用进行示例性说明。

1)连续纤维均匀缠绕于放纱辊(第一辊筒)，放纱辊通过联轴器与供纤机构中内置的旋转电机连接，控制和显示模块通过脉冲信号驱动旋转电机定速旋转，该速度由工艺需求决定，在3D打印线材成型过程中，可通过张紧力调控算法实时调节和控制该电机转速。此方式可减少纤维在成型过程中的磨损，改善成型线材的力学性能。

2)连续纤维通过放纱辊后，经过导向部，通过4根导向柱约束，进入成型机构中。挤出机构的螺旋杆一端连接挤出电机，并在其驱动下实现定速旋转，料斗从侧面对螺旋杆进行添加树脂，树脂在外接加热线圈(第二加热部)的作用下熔化并进入成型机构。成型机构内包含加热棒(第一加热部)，以保持稳定的浸渍温度，连续纤维通过送丝模具的末端与热塑性树脂熔体充分混合浸渍，然后进入束型模具成型。束型模具的内孔截面可以是多种直径的圆形或一定尺寸的方形、椭圆形，以对预浸渍的纤维线材外表面进行束型。

3)通过控制挤出机构中螺旋杆的速度、容纳腔的温度，供纤机构和收线机构中的速度，可间接控制浸渍速度，从而可优化改善树脂和连续纤维的浸润效果；通过控制送丝模具中连续纤维的含量和束型模具后端的成型线材的尺寸，可精确计算和控制成型线材中的纤维体积分数，实现高纤维体积分数的连续纤维增强树脂基3D打印线材成型。

4)冷却机构可实现线材的冷却，具有一定温度的3D打印线材进入冷却池中，经潜水泵驱动的喷淋头喷水后迅速冷却凝固；此外，潜水泵通过冷却循环管路对料斗的下端进行冷却，以防止树脂熔化堵塞。

5)在线材成型过程中，张紧调控机构(张紧机构)可实时调控线材张紧力，可控制范围为0-100N，控制精度为±1.5N。其控制过程为：通过控制和显示模块输入张力设定值，通过张力传感器测量线材张紧力，实现闭环控制，经过张紧力调控算法调节，控制供纤机构的转速和收线机构的转速，实现张紧力的精确调控。

6)辅助缠绕机构(导向机构)通过束型框控制成型的3D打印线材的缠绕位置，束型框安装于可横向移动的直线导轨(直线运动部)，直线导轨安装于支撑住上方，辅助缠绕机构后端为收线机构，可通过控制驱动电机实时调整束型框的横向位置，配合收线机构的旋转运动，实现线材均匀快速缠绕。

在本实施例中，连续纤维增强树脂基体主要指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)等热塑性树脂，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。

成型的连续纤维增强树脂基3D打印线材主要应用于熔融沉积成型技术中复杂件的三维直接成型，也可应用于纤维铺放成型、纤维缠绕成型技术中，实现连续纤维增强复合材料的快速成形。

通过本发明的技术方案，可以实现以下有益效果：

本发明提出的装置可成型一种连续纤维增强树脂基3D打印线材，该线材可应用于FDM技术3D打印成型复合材料件，不同于传统成型方式，由于连续纤维和树脂在制线过程中实现了控温控速的充分浸渍，纤维和树脂间结合强度大大提升，内部孔隙率大大降低，间接提高了3D打印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。

连续纤维增强树脂基3D打印线材应用于FDM技术中时，不需要具有纤维和树脂浸渍功能的喷头，大大简化了喷头设计要求，助力打印连续纤维增强复合材料技术的推广。

本发明中设计了张紧调控机构，可实现连续纤维增强树脂基3D打印线材成型过程中张紧力大小的控制，张紧力波动规律的控制，从而降低纤维的磨损，防止纤维在树脂内部起皱，进而减少结构缺陷，改善成型件的机械强度。

在航空航天等领域，连续纤维的体积含量决定了复合材料的使用性能，传统FDM打印技术中，受困于纤维磨损，喷头堵塞等原因，无法实现高含量连续纤维增强复合材料的成型。在本发明中，由于模具结构的优化设计，温度和速度参数的精确控制，可实现高纤维含量连续纤维增强树脂基3D打印线材的成型，进而提升3D打印件中纤维含量。

由于连续纤维和树脂在成型过程中可控温控速的浸润，因此可精确计算和控制成型线材中的纤维体积分数，实现高纤维体积分数的连续纤维增强树脂基3D打印线材成型。将该3D打印线材应用于FDM打印机中，不需要连续纤维和树脂在喷头内混合，改善了树脂和纤维的浸润效果，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。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种复合材料线材制备装置，其特征在于，所述复合材料线材制备装置用于3D打印技术领域，所述复合材料线材制备装置包括：

成型机构(10)，所述成型机构(10)包括送丝模具(11)、送脂模具(12)和束型模具(13)，所述送丝模具(11)用于供应纤维，所述送脂模具(12)用于供应树脂，所述送丝模具(11)供应的所述纤维和所述送脂模具(12)供应的所述树脂能够进入所述束型模具(13)中以成型为线材；

所述送丝模具(11)具有用于穿设所述纤维的通道，所述送脂模具(12)具有用于容纳所述树脂的容纳腔(121)，所述束型模具(13)具有束型腔，所述通道和所述容纳腔(121)均与所述束型腔连通；所述容纳腔(121)包括连通的锥形腔体和球形腔体；

所述束型模具(13)的开口为锥形，所述送丝模具(11)的开口为锥形；

所述送丝模具(11)穿设在所述送脂模具(12)中，所述成型机构(10)还包括：

第一加热部(14)，穿设在所述送脂模具(12)中；

显示模块(80)，所述显示模块(80)用于显示信息并对其他部件进行控制。

2.根据权利要求1所述的复合材料线材制备装置，其特征在于，所述复合材料线材制备装置还包括：

供纤机构(20)，用于向所述送丝模具(11)中供应所述纤维；

挤出机构(30)，用于向所述送脂模具(12)中供应所述树脂。

3.根据权利要求2所述的复合材料线材制备装置，其特征在于，所述供纤机构(20)包括：

第一辊筒(21)，可转动地设置，所述第一辊筒(21)用于释放所述纤维；

导向部，所述导向部用于对所述第一辊筒(21)释放的所述纤维进行导向。

4.根据权利要求3所述的复合材料线材制备装置，其特征在于，所述导向部包括：

框架(22)；

多个导向柱(23)，设置在所述框架(22)上，多个所述导向柱(23)围绕形成用于穿设所述纤维的第一导向孔。

5.根据权利要求2所述的复合材料线材制备装置，其特征在于，所述挤出机构(30)包括：

料斗(31)，用于放置所述树脂；

螺旋挤出部(32)，所述螺旋挤出部(32)的一端与所述料斗(31)连通，所述螺旋挤出部(32)的另一端与所述送脂模具(12)连通；

第二加热部(33)，设置在所述螺旋挤出部(32)的外侧。

6.根据权利要求1所述的复合材料线材制备装置，其特征在于，所述复合材料线材制备装置还包括：

收线机构(40)，所述收线机构(40)用于收纳所述线材。

7.根据权利要求6所述的复合材料线材制备装置，其特征在于，所述收线机构(40)包括第二辊筒，所述第二辊筒可转动地设置以缠绕所述线材，所述复合材料线材制备装置还包括：

导向机构(50)，设置在所述成型机构(10)和所述收线机构(40)之间，所述导向机构(50)用于对所述线材进行导向。

8.根据权利要求7所述的复合材料线材制备装置，其特征在于，所述导向机构(50)包括：

束型框(51)，所述束型框(51)上具有第二导向孔；

直线运动部(52)，所述束型框(51)设置在所述直线运动部(52)上，所述直线运动部(52)用于带动所述束型框(51)沿所述第二辊筒的延伸方向往返移动。

9.根据权利要求6所述的复合材料线材制备装置，其特征在于，所述复合材料线材制备装置还包括：

张紧机构(60)，设置在所述成型机构(10)和所述收线机构(40)之间，所述张紧机构(60)用于张紧所述线材。

10.根据权利要求6所述的复合材料线材制备装置，其特征在于，所述复合材料线材制备装置还包括：

冷却机构(70)，设置在所述成型机构(10)和所述收线机构(40)之间，所述冷却机构(70)用于冷却所述线材。

Images