CN111098428A - 一种用于熔融沉积成型的智能线材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于熔融沉积成型的智能线材及其制备方法，智能线材包括智能芯材和包裹在芯材外的包材，所述智能芯材包括HGCCST线芯，以及包裹在HGCCST线芯外的光固化树脂，所述包材为热塑性树脂，具体步骤如下：(1)智能芯材制备：提供直径为100微米左右的HGCCST线芯和光固化树脂，浸涂后获得包覆有一层光固化TPU树脂的，总直径在400微米左右的智能芯材；(2)智能线材制备：由步骤一中所获得芯材，使用热塑性树脂，挤压成型获得最中心为HGCCST线材，外面包覆两层不同性质树脂的可用于熔融沉积打印的线材。与现有技术相比，本发明具有智能特征，性质稳定，不需要重新设计3D打印机，制备工艺无污染。

Description

一种用于熔融沉积成型的智能线材及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种智能线材的制备，尤其是涉及一种用于熔融沉积成型的智能线材及其制备方法。

背景技术

熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)，又称熔丝沉积，是一种增材制造(又称为3D打印)技术。FDM熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度(即分层厚度)再成型下一层，直至形成整个实体造型。目前，市面上没有一种能使得熔融沉积线材具备智能化特性的方法与技术。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于熔融沉积成型的智能线材及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于熔融沉积成型的智能线材，包括智能芯材和包裹在芯材外的包材，所述智能芯材包括HGCCST线芯，以及包裹在HGCCST线芯外的光固化树脂，所述包材为热塑性树脂。

进一步的，所述光固化树脂的耐受热温度为255℃。

进一步的，所述光固化树脂为TPU树脂。

进一步的，所述热塑性树脂为PVC或PLA。

进一步的，所述HGCCST线芯的直径为80-120微米。

进一步的，所述智能芯材的直径为380-420微米。

进一步的，所述HGCCST线芯的耐受温度为300℃，有较好的弯曲性能和拉伸性能。更进一步的，所述HGCCST线芯的具体结构已在参考文献(Yanlong Tai,GillesLubineau.Smart Threads:Double-Twisted Conductive Smart Threads Comprising aHomogeneously and a Gradient-Coated Thread for Multidimensional FlexiblePressure-Sensing Devices(Adv.Funct.Mater.23/2016)[J].Advanced FunctionalMaterials,2016,26(23).)中公开。

一种用于熔融沉积成型的智能线材的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)制备智能芯材：准备HGCCST线芯和光固化树脂，通过浸涂，得到包覆有一层光固化树脂的智能芯材；

(2)制备智能线材：将步骤(1)中得到的智能芯材与热塑性树脂进行挤压成型，得到智能线材。

进一步的，步骤(1)中：浸涂采用用于极细纤维丝保护膜加工的浸涂设备，该浸涂设备主要由浸涂机构、传送机构、固化机构组成。浸涂机构包括浸涂池，储液池，加热模块，浸涂液传输管道；传送机构由原料线盘，浸涂池中的传动中继滑轮，带有电机的传动滑轮，传动中继滑轮，高摩擦滑轮组成；固化机构由蒸发烘箱，回流导管，光固化腔，直径测量仪组成。HGCCST线芯原材料缠绕于原料线盘上，送至浸涂池后，在光固化腔中接受紫外线照射，之后于蒸发烘箱中烘干，全程受到中继滑轮输送和调节。

进一步的，步骤(2)中：挤压成型采用种用于带芯熔融沉积成型线材制造的挤压成型设备，该设备该挤压成型设备主要由挤压机构和传动机构组成。挤压机构包括原料缸，挤压活塞，可替换内芯，冷却池；传动机构包括带转速传感器与电机的传动滑轮，引导通道，直流电机，缠绕轮盘。设备运作时，芯材由引导通道递入，而用于包覆的热塑性材料在预热熔化后由注射器注入已经预热完毕的原料缸中。芯材和包覆材料受推拉或挤压由出料口离开，形成包裹了热塑性树脂的半成品线材，之后线材经冷却机构冷却，则获得包裹了热熔性材料的线材。

本发明可制备出一种包裹着双层材料的熔融沉积打印线材，其芯材使用一种智能感应纤维，次外层采用光固化树脂，外层为可用于熔融沉积成型的热熔性材料。

与现有技术相比，本发明在熔融沉积线材中增加一根具有智能化能力的HGCCST线材，制备工艺具有无污染、高效率的优势。而所获得的线材具有全新的智能化能力，新型的线材将具有感应压力的能力，并且能够结合熔融沉积成型的特征，性质稳定，不需要重新设计3D打印机，为智能化构件的设计制造提供了相当的可能性。

附图说明

图1为本发明步骤一的工艺流程图；

图2为本发明步骤二的工艺流程图；

图3为制备智能芯材的设备示意图；

图4为智能线材挤压成型设备的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

以下各实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。

实施例1

本发明涉及一种用于熔融沉积成型的智能线材的制备方法，所用到的原材料有HGCCST线材，固态TPU树脂材料及固态ABS材料。HGCCST线材的获取可参考文献(YanlongTai,Gilles Lubineau.Smart Threads:Double-Twisted Conductive Smart ThreadsComprising a Homogeneously and a Gradient-Coated Thread for MultidimensionalFlexible Pressure-Sensing Devices(Adv.Funct.Mater.23/2016)[J].AdvancedFunctional Materials,2016,26(23).)，HGCCST线材需对长度进行截取使之适合设备，并且需留意线材有无误差超过设备容许的上限的部分。

如图1所示，在步骤一中，HGCCST线芯一端于电机处通过滑轮进行固定并通过电机调整线材的行进。TPU树脂材料在加热融化后进入储液池，然后进入浸涂池。通过反馈调整电动阀门和加热装置保证浸涂池液面高度与温度保持不变。浸涂池中线芯表面被浸涂上一层树脂材料，通过蒸发烘箱去除多余浸涂材料并将多余材料回收至浸涂池。之后线材进入光固化腔体，由紫外光照射进行固化。固化后进行直径测量，由之反馈调节线芯行进速率，从而保证浸涂厚度一定。最终得到了含保护层的智能芯材。保护层可保证HGCCST线芯在进行后续加热熔融时不会受到损伤，保证其强度性能不受破坏。

如图2所示，在步骤二中，得到含保护层的智能芯材后，再对其直径进行复测并使其长度满足挤压成形机要求。预处理后，将芯材送入传动滑轮并开动电机使芯材缓慢经引导通道通过挤压腔体，并将一端于电机滑轮上固定。此外需将ABS原料预先加热高温融化注入原料缸。通过推动活塞的挤压，将原料缸中的液态挤压材料压入挤压腔体中与含保护层的智能芯材形成接触挤压。并且挤压活塞压力需达到一定大小从而保证挤压得到的外层致密特性。对于挤压腔中挤出的线材，可通过外置直径测量仪对其进行测量并以此为依据对芯材行进速率和活塞挤压力度进行动态调整。最终得到可用于增材制造的智能线材，在打印过程中，芯材外部ABS材料融化沉积，内部保护层及内部材质智能材料性能保持不变，从而达到所需功能。

实施例2-实施例3

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中的ABS材料分别替换为PVC和PLA。

将上述实施例1-实施例3所制得的智能线材，同HGCCST线材一样，其同样能完成感应并完成参数输出，这表明所制得的智能线材具有感应压力等能力，可实现在智能化构件上的应用。(测试方法参考下述文献，Yanlong Tai,Gilles Lubineau.Smart Threads:Double-Twisted Conductive Smart Threads Comprising a Homogeneously and aGradient-Coated Thread for Multidimensional Flexible Pressure-Sensing Devices(Adv.Funct.Mater.23/2016)[J].Advanced Functional Materials,2016,26(23).)

实施例4

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中进一步限定了光固化树脂的浸涂过程，整个光固化树脂是在专用浸涂设备中进行，其参见图3所示：

浸涂设备，包括：

浸涂机构：包括盛装有浸涂液104的浸涂池1033，以及固定在浸涂池1033上为浸涂液104加热的加热模块106；浸涂池1033通过管道113连接有储液池114，储液池114内储存有浸涂液104，管道113上设置有控制管道113通断的电控阀门112(可以采用电磁阀等)。浸涂池1033与储液池114材料使用无机且高温下物理性质稳定的材料。浸涂池1033内壁上设置有测量浸涂液104温度的温度传感器107。浸涂池1033尺寸为30cm*20cm*30cm，储液池114容积为2L。加热模块106可达到的最高温度为200℃。

传动机构：包括收纳缠绕原料线材的原料线盘101，以及沿线材走向顺次设置的滑轮组，使得线材顺次通过浸涂机构和固化机构；滑轮组包括第一滑轮102、第二滑轮108、第三滑轮109和高摩擦滑轮111，第一滑轮102设置于浸涂机构与原料线盘101之间，第二滑轮108设置于浸涂池1033内，第三滑轮109设置于浸涂机构与固化机构之间，高摩擦滑轮111设置于固化机构后。

第一滑轮102、第二滑轮108、第三滑轮109和高摩擦滑轮111中央设有凹槽槽，凹槽直径可根据浸涂用丝材进行调节，从而防止丝材滑脱或偏移。高摩擦滑轮111处设置有对线材直径进行测量的直径测量仪110。高摩擦滑轮111连接电机，电机通过控制高摩擦滑轮111来调控线材行进速度。第二滑轮108连接有检测第二滑轮108转速的转速传感器105。滑轮组表面均使用聚四氟乙烯进行处理，避免表面留有浸涂液104造成损耗或破坏传动结构。滑轮组的滑轮直径为10cm。线材行进速度为0.1mm/s到5mm/s。

固化机构：包括烘干线材的蒸发烘箱115，以及对浸涂后的线材进行固化的光固化腔116，蒸发烘箱115通过回流导管117与浸涂池1033相连通。蒸发烘箱115与回流导管117相结合，烘干丝材表面多余浸涂液104并使之回流至浸涂池1033，减少原材料的浪费并避免对大气造成污染。光固化腔116通过高能UV光线将丝材表面浸涂液104进行固化，光固化腔116需使用耐高温材料，防止意外事故。蒸发烘箱115温度为102±3℃。

在运行过程中，原料线盘101是原料纤维收纳的位置，第一滑轮102在电机控制下和转速传感器105监测下以一定速度进入浸涂池1033，第二滑轮108调整纤维方向使之由第三滑轮109进入蒸发烘箱115。蒸发烘箱115蒸出浸涂液104经回流导管117回流至浸涂池1033。纤维离开蒸发烘箱115后进入光固化腔116后接受紫外光照射使浸涂液104固化为固态。直径测量仪110测量线材直径，对产品测定进行反馈。

本实施例中，还可以设置如PLC控制器等来分别连接直径测量仪、电控阀门、加热模块、温度传感器、高摩擦滑轮等，可以通过由直径测量仪、温度传感器、转速传感器等反馈对应的信号给PLC控制器，再由PLC控制器发出执行信号给对应的执行机构(即电控阀门、加热模块和高摩擦滑轮)，调控对应执行机构的运行状态(如启闭、运行速度、加热程度等)。

光固化腔即为一个由耐高温材料组成的可供线材通过的中空腔体，在中空腔体内设有可产生UV光纤的UV灯组，加热模块可以采用本领域常规的可实现加热功能的仪器，浸涂液可以为本领域常规的可镀覆在碳纤维等线材上的液态光固化树脂，其余如无特别说明的功能部件或结构，则表明均为本领域为实现对应功能的常规部件结构。

实施例5

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中进一步限定了热塑性树脂挤压包覆过程，实施参见图2所示挤压包覆过程的设备如图4所示，包括挤压成型机构和传动机构两部分，其中挤压成型机构包括原料缸24、布置在原料缸24内并可沿其内壁来回移动的挤压活塞25、连接原料缸24出口的挤压成型空腔，以及从挤压成型空腔出来的线材进行冷却的冷却池27；传动机构包括设置在挤压成型空腔入口侧的入口传动滑轮22、位于入口传动滑轮22后方并可引导待成型线材21(即智能芯材)进入挤压成型空腔的引导通道23、引导成型后的线材进入冷却池27的出口传动滑轮26，以及位于冷却池27后方并可缠绕储存成型线材的缠绕转盘等等。

在具体操作过程中，在使用时，原料缸24先预热，熔融材料在预热后由原料缸24上的注料口注入原料缸24，待成型线材21(即智能芯材)由引导通道23外的入口传动滑轮22递入引导通道23，在设备开始运行时，挤压活塞25以一定力度施加压力，同时入口传动滑轮22、出口传动滑轮26与缠绕轮盘28按照一定速度旋转，将在挤压成型空腔内包覆有熔融或半熔融材料的线材从挤压成型空腔出口(即可替换内芯29处)带出，此时按照可替换内芯29内的成型通道的形状，获得半成品线材，在半成品线材进入冷却池27冷却后，获得带芯熔融沉积成型线材，即为目的产物。

本实施例中，原料缸24与挤压成型空腔的接口方向可以设置成倾斜朝向挤压成型空腔的出口，这样，原料缸24在挤压过程中也可以助于待成型芯材在挤压成型空腔内向其出口行进。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。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，本发明不限于上述实施例，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 (8)

1.一种用于熔融沉积成型的智能线材，其特征在于，包括智能芯材和包裹在芯材外的包材，所述智能芯材包括HGCCST线芯，以及包裹在HGCCST线芯外的光固化树脂，所述包材为热塑性树脂。

2.根据权利要求1所述的一种用于熔融沉积成型的智能线材，其特征在于，所述光固化树脂的耐受热温度为255℃及以上。

3.根据权利要求1所述的一种用于熔融沉积成型的智能线材，其特征在于，所述光固化树脂为TPU树脂。

4.根据权利要求1所述的一种用于熔融沉积成型的智能线材，其特征在于，所述热塑性树脂为PVC、PLA或ABS。

5.根据权利要求1所述的一种用于熔融沉积成型的智能线材，其特征在于，所述HGCCST线芯的直径为80-120微米。

6.根据权利要求1所述的一种用于熔融沉积成型的智能线材，其特征在于，所述智能芯材的直径为380-420微米。

7.根据权利要求1所述的一种用于熔融沉积成型的智能线材的制备方法，其特征在于，所述HGCCST线芯的耐受热温度为300℃及以上。

8.根据权利要求1所述的一种用于熔融沉积成型的智能线材的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)制备智能芯材：准备HGCCST线芯和光固化树脂，通过浸涂，得到包覆有一层光固化树脂的智能芯材；

(2)制备智能线材：将步骤(1)中得到的智能芯材与热塑性树脂进行挤压成型，得到智能线材。

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