CN110328843B - 超声辅助浸渍的复合材料3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声辅助浸渍的复合材料3D打印装置，包括：打印支座、复合模块及超声振动模块，所述超声振动模组包括振动杆、变幅杆及振动发生器，所述振动杆的外表面与所述共混单元的熔腔内壁间隙配合，且所述振动杆远离所述喷嘴的一端凸于所述共混单元外，所述振动发生器固定设置于所述打印支座上，所述变幅杆的一端与所述振动发生器连接，所述变幅杆的另一端与所述振动杆远离所述喷嘴的一端连接。本发明通过辅助超声振动，促进了纤维与熔融树脂的充分浸润，降低了成型复合材料内部缺陷，提高了复合材料制件的力学性能和成型效率；同时很好地控制超声振动方向为纯扭转振动，且超声能量只作用于纤维与熔融基体，保证了3D打印复合材料的成型精度。

Description

超声辅助浸渍的复合材料3D打印装置

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种超声辅助浸渍的复合材料3D打印装置。

背景技术

纤维增强复合材料由于其轻质、高强及抗疲劳等特点，已作为新一代结构材料被大量应用在生物医疗、航空航天等领域。3D打印（增材制造），作为一种革新的复合材料制造成型工艺，实现了复合材料的低成本和快速制造，进一步推进复合材料应用范围。

目前连续纤维增强复合材料（CFRC）3D打印研究主要基于熔融沉积成型（FDM）工艺。根据供给原材料结构形式的不同，可以分为两大类。一类是采用连续纤维/热塑性基体预浸丝作为3D打印进给线材，基于FDM工艺，直接打印CFRC构件。该工艺的典型代表为MarkForged公司研发的连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料3D打印机，实现了连续纤维增强复合材料的3D打印制造，兼顾了零件的精度与力学性能。该工艺优点是打印设备结构简单，纤维与热塑性基体间浸润良好，制件孔隙缺陷较低。但由于需要预先制备纤维预浸丝，工艺周期长，制造成本高。另一类CFRC 3D打印工艺则采用喷嘴内熔融浸渍技术，即打印时同时进给连续纤维丝束与热塑性树脂基材，连续纤维丝束在3D打印头中与熔融热塑性基体复合后直接被打印成构件，实现复合材料制备与成形一体化，熔融浸渍3D打印成型工艺的优势在于可自由调控增强纤维与基体的体积比、工艺流程简单、成型快速。但目前该技术仍存在复合材料制件内部缺陷高，成型质量不稳定等问题，这个问题在高粘度树脂与较快打印速率的情景下尤为明显，纤维束内很难被树脂基体充分浸渍，导致制件强度、刚度明显低于理论值，限制了其进一步的应用。

发明内容

为了克服上述技术的不足，本发明的目的在于提供一种超声辅助浸渍的复合材料3D打印装置，解决了3D打印复合材料工艺过程中丝材与基体的浸润问题，降低成型缺陷，提高打印速率，实现低缺陷、高性能3D打印连续纤维增强复合材料的快速制造。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种辅助浸渍的复合材料3D打印装置，包括：

打印支座；

复合模组，所述复合模组包括共混单元、加热块、温度传感器、喉管及喷嘴，所述加热块和所述温度传感器嵌套于所述共混单元上，所述共混单元通过隔热垫与打印支座连接，所述喉管设置于所述共混单元的一侧且具有一定的倾斜度，且与所述共混单元的内部熔腔连通形成进料通道，所述喷嘴设置于所述共混单元下端，且与所述共混单元的熔腔连通形成挤出通道；

超声振动模组，所述超声振动模组包括振动杆、变幅杆及振动发生器，所述振动杆至少部分嵌套于所述共混单元的熔腔内，所述振动杆的外表面与所述共混单元的熔腔内壁间隙配合，且所述振动杆远离所述喷嘴的一端凸于所述共混单元外，所述振动发生器固定设置于所述打印头支座上，所述变幅杆的一端与所述振动发生器连接，所述变幅杆的另一端与所述振动杆远离所述喷嘴的一端连接。

进一步地，所述共混单元的熔腔、所述喷嘴和所述振动杆三者的轴线共线设置。

进一步地，所述共混单元的熔腔为圆锥形。

进一步地，所述振动杆为带侧耳的中空圆锥体，所述振动杆通过均匀分布的侧耳与所述变幅杆连接。

进一步的，所述振动发生器至少有两个，每一所述振动发生器对应设置于一所述变幅杆，各所述振动发生器对称分布在所述振动杆的周侧。

进一步地，所述振动发生器为压电陶瓷或磁致伸缩材料或电磁振动发生装置。

优选地，所述变幅杆轮廓形状为圆锥形。

优选地，所述振动杆的中空通道的横截面为波浪圆环形。

进一步地，所述振动杆靠近所述喷嘴的一端的侧壁沿周向开设有若干个矩形切槽。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

1、辅助超声振动方向为纯扭转振动，且超声能量只作用于纤维与熔融基体，有效提高了纤维与熔融树脂的浸润效率，降低了成型复合材料内部缺陷，提高了3D打印复合材料制件的力学性能和生产效率，保证了3D打印复合材料的成型精度。

2、超声发生器不与高温熔融树脂直接接触，并具有独立的散热系统，广泛适用于各种压电陶瓷或其它磁致伸缩材料或电磁振动发生装置。

3、超声振动直接作用于增强纤维与基体的界面结合处，有效避免了超声振动能量在高粘度树脂中传播时的衰减,进一步提高了超声辅助浸渍的效率。

附图说明

图1是本发明超声辅助浸渍的复合材料3D打印装置的结构示意图；

图2是本发明超声辅助浸渍的复合材料3D打印装置的俯视图；

图3是本发明超声辅助浸渍的复合材料3D打印装置的剖视图；

图4是本发明超声振动模组的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

一种超声辅助浸渍的复合材料3D打印装置，包括：打印支座、复合模块、超声振动模块及散热模块，所述打印支座设置于所述复合模块上，所述超声振动模块及所述散热模块均设置于所述打印支座上，所述散热模块用于超声振动模块散热，所述复合模块用于实现复合材料制备与成形一体化，使增强纤维与熔融热塑性的基体复合后直接被打印成构件，所述超声振动模块用于增强纤维被熔融热塑性的基体充分浸渍。

请参考图1，例如，一种超声辅助浸渍的复合材料3D打印装置，包括：打印支座1、复合模块及超声振动模块，所述复合模块通过隔热垫与打印头支座1连接，所述复合模块包括共混单元4、加热块5、温度传感器6、喉管7及喷嘴9，所述加热块5和所述温度传感器6嵌套于所述共混单元4上，加热块5与温度传感器6保证进入共混单元4熔腔内的树脂处于熔融状态，所述共混单元4通过隔热垫与打印支座1连接，所述喉管设置于所述共混单元的一侧4且具有一定的倾斜度，所述喉管与所述共混单元4的熔腔连通且形成进料通道，所述喷嘴9设置于所述共混单元4下端，且与所述共混单元4的熔腔连通形成挤出通道；所述超声振动模组包括振动杆12、变幅杆11及振动发生器10，所述振动杆12至少部分嵌套于所述共混单元的熔腔内，且所述振动杆远离所述喷嘴的一端凸于所述共混单元4外，所述振动杆的外表面与所述共混单元的熔腔内壁间隙配合，所述振动发生器10固定设置于所述打印头支座上，所述变幅杆11的一端与所述振动发生器10连接，所述变幅杆11的另一端与所述振动杆远离所述喷嘴的一端连接。为了使振动杆下端自由地振动以及连续纤维13与基体材料14更好的混合，所述振动杆的下端与所述共混单元4的熔腔的底部间隙为0.5 mm-3 mm。

使用时，连续纤维13与熔融的基体材料在振动杆12的中空通道复合，后通过挤出通道，在打印平台上堆积实现连续纤维增强复合材料的3D打印制造。具体的，所述加热块用于产生热量，从而加热所述共混单元4，所述共混单元将热量传递给所述喉管7的内侧壁，所述的基体材料在所述进料通道内熔融并流入所述共混单元4的内部熔腔，所述振动杆套置于所述共混单元的熔腔内，通过所述振动发生器，使熔融的基体材料挤入具有连续纤维1的所述振动杆的中空通道，使其复合进入挤出通道，后通过所述喷嘴9输出复合材料，冷却成形。

通过设置超声振动模组，所述超声振动模组包括振动发生器10、变幅杆11及振动杆12，所述振动发生器10固定设置于所述打印头支座上，所述振动杆至少部分嵌套于所述共混单元的熔腔内，所述振动杆的外表面与所述共混单元的熔腔内壁间隙配合，使振动杆12将振动发生器10与变幅杆11产生的高频振动再次发大，并转换成纯扭转振动，且超声能量只作用于纤维与熔融基体，有效提高了纤维与熔融树脂的浸润效率，降低了成型复合材料内部缺陷，提高了3D打印复合材料制件的力学性能和生产效率，保证了3D打印复合材料的成型精度。且所述超声发生器不与高温熔融的基体材料直接接触。

在一个实施例中，所述打印支座包括相互垂直设置的第一基板和第二基板，所述第一基板设置于所述共混单元上，所述振动发生器固定设置于所述第一基板上。

在其中一个实施例中，所述复合模组还包括散热架，所述散热架8套置于所述喉管7外，起散热作用。

如图1所示，超声发生器具有独立的散热系统，在其中一个实施例中，声辅助浸渍的复合材料3D打印装置还包括散热模块，所述散热模块设置于所述打印支座上，所述散热模块包括散热风扇2与送风通道3，所述散热风扇2外壳的内腔与所述送风通道3的进风口连接，所述散热风扇2为鼓风机。

为了便于超声发生器正常工作，在本实施例中，所述送风通道的出风口与所述超声发生器相对设置。

请参阅图3，在其中一个实施例中，所述共混单元4的熔腔、所述喷嘴9和所述振动杆12三者的轴线共线设置，通过三者的轴线共线设置，熔融的基体材料挤入所述振动杆的中空通道后会向下偏移，从而带动纤维丝能够更为容易的进入到所述喷嘴9的中心。

在其中一个实施例中，所述共混单元4的熔腔为圆锥形。

在其中一个实施例中，所述振动杆为带侧耳的中空圆锥体，所述振动杆通过均匀分布的侧耳与所述变幅杆连接。

请参阅图2，在其中一个实施例中，所述振动发生器10至少两个，每一所述振动发生器对应设置于一所述变幅杆，所述至少两个振动发生器10对称分布在所述振动杆12的周侧，且设置在所述第一基板上，所述振动杆12上端通过均匀分布的侧耳与所述变幅杆11连接。例如，振动发生器10与变幅杆11为两对，对称连接在振动杆12侧边，振动杆12为带有两侧耳的圆锥体，两侧耳分别与两对变幅杆11固定连接，振动杆12的圆锥面与共混单元4熔腔内壁间隙配合，振动杆12含一中空通道，振动杆12尖端侧边分布若干个矩形切槽贯穿至中空通道 ，有利于共混单元4熔腔内的熔融树脂流入振动杆12的中空通道中，与从中穿过的连续纤维13复合。所述振动发生器10能产生纵向高频振动，超声振动通过变幅杆设计，其振幅经过2次放大，从而作用于振动杆，有效提高了纤维与熔融树脂的浸润效率，降低了成型复合材料内部缺陷，提高了3D打印复合材料制件的力学性能和生产效率。同时随着振动杆高频振动，熔融的基体材料在复合的时候，也会在水平方向上也产生一个较大的挤压力，有利于熔融态基体材料渗透进纤维丝内部，提高对连续纤维的浸润性。

本实施例中，所述振动发生器10为压电陶瓷或磁致伸缩材料或电磁振动发生装置。

在其中一个实施例中，所述变幅杆11轮廓为圆锥形，所述变幅杆11的一端与所述振动发生器通过螺纹连接，所述变幅杆11的另一端与所述振动杆通过螺栓连接。所述变幅杆11轮廓还可以指数型、阶梯型或者几种形状的复合型。

参考图4，在其中一个实施例中，所述振动杆12的中空通道的横截面为波浪圆环形。有利于激发连续纤维丝间的协同振动与熔融树脂的空穴效应，促进连续纤维13束内空气的排出，提高纤维基体间的浸润效果，降低复合材料成型缺陷。

在其中一个实施例中，所述振动杆12靠近所述喷嘴的一端的侧壁沿周向开设有若干个矩形切槽，所述矩形切槽用于将位于所述共混单元的所述振动杆12与所述共混单元4的内壁之间的熔融的基体材料挤入振动杆的中央通道内。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超声辅助浸渍的复合材料3D打印装置，其特征在于，包括：

打印支座；

复合模组，所述复合模组包括共混单元、加热块、温度传感器、喉管及喷嘴，所述加热块和所述温度传感器嵌套于所述共混单元上，所述共混单元通过隔热垫与打印支座连接，所述喉管设置于所述共混单元的一侧且具有一定的倾斜度，且与所述共混单元的内部熔腔连通形成进料通道，所述喷嘴设置于所述共混单元下端，且与所述共混单元的熔腔连通形成挤出通道；

超声振动模组，所述超声振动模组包括振动杆、变幅杆及振动发生器，所述振动杆至少部分嵌套于所述共混单元的熔腔内，所述振动杆的外表面与所述共混单元的熔腔内壁间隙配合，且所述振动杆远离所述喷嘴的一端凸于所述共混单元外，所述振动发生器固定设置于所述打印支座上，所述变幅杆的一端与所述振动发生器连接，所述变幅杆的另一端与所述振动杆远离所述喷嘴的一端连接。

2.根据权利要求1所述的超声辅助浸渍的复合材料3D打印装置，其特征在于，所述共混单元的熔腔、所述喷嘴和所述振动杆三者的轴线共线设置。

3.根据权利要求1所述的超声辅助浸渍的复合材料3D打印装置，其特征在于，所述共混单元的熔腔为圆锥形。

4.根据权利要求1所述的超声辅助浸渍的复合材料3D打印装置，其特征在于，所述振动杆为带侧耳的中空圆锥体，所述振动杆通过均匀分布的侧耳与所述变幅杆连接。

5.根据权利要求4所述的超声辅助浸渍的复合材料3D打印装置，其特征在于，所述振动发生器至少有两个，每一所述振动发生器对应设置于一所述变幅杆，各所述振动发生器对称分布在所述振动杆的周侧。

6.根据权利要求1所述的超声辅助浸渍的复合材料3D打印装置，其特征在于，所述振动发生器为压电陶瓷或磁致伸缩材料或电磁振动发生装置。

7.根据权利要求1所述的超声辅助浸渍的复合材料3D打印装置，其特征在于，所述变幅杆轮廓形状为圆锥形。

8.根据权利要求1所述的超声辅助浸渍的复合材料3D打印装置，其特征在于，所述振动杆的中空通道的横截面为波浪圆环形。

9.根据权利要求1所述的超声辅助浸渍的复合材料3D打印装置，其特征在于，所述振动杆靠近所述喷嘴的一端的侧壁沿周向开设有若干个矩形切槽。

Images