CN110271113A - 一种连续纤维束的耗材制备方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续纤维束增强复合材料的3D打印线材的制备方法和装置，包括电机、进料装置、挤塑成型装置、冷却装置、牵引机和卷线装置，挤塑成型装置的挤出头成型模具，包括沿进料方向依次为模套、模芯、模头，连续纤维束置于模芯和模头嵌套后的中心腔内部，加热熔融的聚合物原料经过挤压经模套的进料口进入从而包裹住连续纤维束，通过调节牵引机的牵引力和牵引速度调节挤出物的直径，再经风冷装置和卷线装置收集，即制得连续纤维束3D打印线状耗材。所述的连续纤维束3D打印线材的制备装置结构合理，能够实现一种连续纤维束增强复合材料3D打印线材的工业化生产，加工工艺简单，不会破坏连续纤维束本身的结构，线材成型效果好，便于操作并提高生产效率，节约生产成本。

Description

一种连续纤维束的耗材制备方法和装置

技术领域

本发明涉及3D打印耗材制造领域，特别涉及一种利用连续纤维束增强树脂复合材料的3D打印线材制备方法及装置。

背景技术

纤维增强复合材料是以聚合物为基体材料，经过一定的加工工艺加入各种纤维增强材料性能而形成的一种复合材料，具有质轻、高强度、耐腐蚀、耐疲劳等优异特点，在航天航空、汽车、船舶、文体器材、医疗器械、建筑材料等多领域都得到广泛应用。

3D打印是一种三维快速成型的形式，涉及材料科学、机电控制、信息技术等多个领域，是一种多领域知识交叉融合的前沿科学技术。目前，传统的材料成型工艺复杂、成本高、无法快速制造，大大限制了纤维增强复合材料的应用范围。相比于传统的成型工艺，3D 打印技术工艺简单、成本低、材料利用率高、可快速制造。3D打印耗材是3D打印技术发展的核心要素，也是决定3D打印技术在市场上得到广泛应用的先决条件。目前，3D打印耗材主要是工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料、陶瓷材料、石膏材料等的线材为主，现有使用的一般是ABS、PLA两大类打印线材，针对短纤维3D打印耗材已较为成熟，但所有耗材成型构件的力学性能仍然有限，限制了其工业化应用范围，不能满足3D打印技术市场发展的需求。因此，急需开发一种高性能可快速成型的纤维增强复合材料3D打印耗材制备装置，可以进行工业化生产，真正实现轻质、加工工艺简单、高性能复合材料的创新应用。

发明内容

本发明的目的在于低成本快速制造连续纤维束增强复合材料3D打印线材，进而提供一种连续纤维束3D打印线材的制备装置。

本发明的另一目的是提供一种连续纤维束3D打印线材的制备方法，工艺加工方法简单，成本较低，能够快速生产出符合要求的连续纤维束增强复合材料3D打印线材。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种连续纤维束增强复合材料3D打印线材制备装置，包括电机、进料装置、挤塑成型装置、冷却装置、牵引机和卷线装置。

其进一步技术方案为：进料装置设置在电机左端及挤塑成型装置的右端，风冷装置设置在挤塑成型装置和牵引机之间，卷线装置设置在最末端。

一种连续纤维束增强复合材料3D打印线材制备装置的挤出头成型模具，包括沿进料方向依次为模套、模芯、模头。

其进一步技术方案为：所述的挤出头成型模具的材质为耐高温的铜合金金属材料，模芯设有圆柱形中心腔和位于圆柱形中心腔上部的顶端具有孔部的圆锥形尖端部位，模套设有圆柱形中心腔和垂直于中心腔的锥形中心腔，其模芯设在模套圆柱形中心腔内部，锥形中心腔的一端为进料端口，模头设有在底部位置的圆锥形的中心腔和位于圆锥形中心腔前端的出料孔部；其模芯的圆锥形尖端部位嵌套在模头的圆锥形中心腔内部，模芯和模头顶端的孔部位于同一轴线上。

其进一步技术方案为：所述的挤出成型模具外侧设置有电加热器，所述的电加热器上包括温度检测传感器，所述温度检测传感器设置于所述挤出头成形模具的模套上。

所述的挤出成型模具外侧设置有超声波装置，高频率的机械波使熔融材料的分子相互扩散，微观结构更加均匀，连续纤维束与聚合物材料之间具有良好的浸润性能。

所述的冷却装置中设有风冷设备对挤出线材进行冷却。

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的连续纤维束增强复合材料3D打印线材材质包括不同规格的连续纤维束和聚合物材料。

所述的连续纤维束包括碳纤维束、玄武岩纤维束、玻璃纤维束等连续纤维束的一种或多种混合。

所述的聚合物材料包括PEEK、ABS、PLA、PC、PA等聚合物材料的一种或多种混合。

所述的连续纤维束增强复合材料3D打印线材直径为1.75±0.03mm，或者根据需要制作成其他直径大小的线材。

所述的一种连续纤维束增强复合材料3D打印线材的制备工艺，包括以下步骤：

（1）聚合物材料的烘烤；

（2）连续纤维束的牵引；

（3）挤出机预热加热，控制挤塑成型装置部位机身一的温度为340～355℃，机身二的温度340～355℃，机头温度为350～355℃；

（4）聚合物原料的稳定添加；

（5）挤出成型得到复合材料；

（6）冷却牵引制得连续纤维束3D打印线状耗材。

本发明的有益效果是：所述的提供了一种连续纤维束3D打印线材的制备装置结构合理，能够实现一种连续纤维束增强复合材料3D打印线材的工业化生产，加工工艺简单，不会破坏连续纤维束本身的结构，线材成型效果好，便于操作并提高生产效率，节约生产成本。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1是本发明连续纤维束3D打印耗材挤出成型模具的剖面图。

图2是本发明连续纤维束3D打印耗材的成型结构示意图。

图中：1-连续纤维束，2-模芯，3-模套，4-进料通道，5-出料孔部，6-模头，7-进料端口，8-聚合物。

具体实施方式

本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

本发明主要保护一种连续纤维束3D打印线材的制备装置，包括电机、进料装置、挤塑成型装置、冷却装置、牵引机和卷线装置，进料装置设置在电机左端及挤塑成型装置的右端，风冷装置设置在挤塑成型装置和牵引机之间，卷线装置设置在最末端。

如图1所示，所述的挤塑成型装置中挤出头成型模具包括模套3、模芯2、模头6，模芯2设有圆柱形中心腔和位于圆柱形中心腔上部的顶端具有孔部的圆锥形尖端部位，模套3设有圆柱形中心腔和垂直于中心腔的锥形中心腔，其模芯2设在模套3圆柱形中心腔内部，锥形中心腔的一端为进料端口7，模头6设有在底部位置的圆锥形的中心腔和位于圆锥形中心腔前端的出料孔部5，其模芯2的圆锥形尖端部位嵌套在模头的圆锥形中心腔内部，模芯2和模头6的定位孔部位于同一轴线上，挤出成型模具外侧设置有电加热器，电加热器上包括温度检测传感器，连续纤维束1置于模芯2和模头6嵌套后的中心腔内部，超声加热熔融的聚合物8原料经过挤压经模套3的进料口7进入到进料通道4中，从而包裹住连续纤维束1，通过调节牵引机的牵引力和牵引速度调节挤出物的直径，再经风冷装置和卷线装置收集，如图2所示，即制得连续纤维束3D打印线状耗材。

本发明同时保护一种连续纤维束3D打印线材的制备方法，具体包括下述步骤：

（1）聚合物材料选用PEEK热塑性树脂材料，需要经过160℃烘烤5h，使其含水量控制在2%以下。

（2）连续纤维束选用碳纤维束，将碳纤维束牵引穿入挤塑成型装置的挤出头部位的模芯和模头嵌套后的中心腔内部。

（3）根据所选材料的性能，在确认机器完好后，对挤出机的各部位进行加温预热，预热温度为190℃，时间为25～30min。预热完成后加热挤出机的机身一的温度为340～355℃，机身二的温度340～355℃，机头温度为350～355℃。

（4）经步骤（3）加热稳定后，将清洁干燥的聚合物原料PEEK加入到单螺杆挤出机中超声加热熔融，加料速度保持流畅，保证在挤出过程中不产生堵塞，出丝稳定流畅。

（5）启动主机，在螺杆挤压和推动作用下，将超声加热熔融好的PEEK聚合物材料推入挤出头部位，经过模芯和模套间的间隙部位，从模套口挤出从而包覆住连续纤维束，形成连续纤维束增强复合材料。

（6）挤出的连续纤维束增强复合材料经过风冷装置冷却，通过调节牵引机的牵引力和牵引速度调节挤出物的直径，再经卷线装置收集，即制得碳纤维束/PEEK3D打印线状耗材。

以上所述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本发明的保护范围的限定，在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种连续纤维束增强复合材料3D打印线材制备装置，其特征在于：包括电机、进料装置、挤塑成型装置、冷却装置、牵引机和卷线装置，进料装置设置在电机左端及挤塑成型装置的右端，风冷装置设置在挤塑成型装置和牵引机之间，卷线装置设置在最末端。

2.根据权利要求1所述的连续纤维束增强复合材料3D打印线材制备装置，其特征在于：所述的挤出头成型模具包括沿进料方向依次为模套、模芯、模头，其材质为耐高温的铜合金金属材料，模芯设有圆柱形中心腔和位于圆柱形中心腔上部的顶端具有孔部的圆锥形尖端部位，模套设有圆柱形中心腔和垂直于中心腔的锥形中心腔，其模芯设在模套圆柱形中心腔内部，锥形中心腔的一端为进料端口，模头设有在底部位置的圆锥形的中心腔和位于圆锥形中心腔前端的出料孔部；其模芯的圆锥形尖端部位嵌套在模头的圆锥形中心腔内部，模芯和模头顶端的孔部位于同一轴线上。

3.根据权利要求1所述的连续纤维束增强复合材料3D打印线材制备装置，其特征在于：所述的挤出成型模具外侧设置有电加热器，所述的电加热器上包括温度检测传感器，所述温度检测传感器设置于所述挤出头成形模具的模套上，所述的挤出成型模具外侧设置有超声波装置，高频率的机械波使熔融材料的分子相互扩散，微观结构更加均匀，连续纤维束与聚合物材料之间具有良好的浸润性能。

4.根据权利要求1所述的连续纤维束增强复合材料3D打印线材制备装置，其特征在于：所述的冷却装置中设有风冷设备对挤出线材进行冷却。

5.根据权利要求1所述的连续纤维束增强复合材料3D打印线材制备装置，其特征在于：所述的连续纤维束增强复合材料3D打印线材材质包括不同规格的连续纤维束和聚合物材料，所述的连续纤维束包括碳纤维束、玄武岩纤维束、玻璃纤维束等连续纤维束的一种或多种混合，所述的聚合物材料包括PEEK、ABS、PLA、PC、PA等聚合物材料的一种或多种混合，所述的连续纤维束增强复合材料3D打印线材直径为1.75±0.03mm，或者根据需要制作成其他直径大小的线材。

6.一种连续纤维束增强复合材料3D打印线材的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

（1）聚合物材料的烘烤；

（2）连续纤维束的牵引；

（3）挤出机预热加热，控制挤塑成型装置部位机身一的温度为340～355℃，机身二的温度340～355℃，机头温度为350～355℃；

（4）聚合物原料的稳定添加；

（5）挤出成型得到复合材料；

（6）冷却牵引制得连续纤维束3D打印线状耗材。