CN111117103A - 一种可用于熔融沉积成型的增强线材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可用于熔融沉积成型的增强线材及其制备方法，具体步骤如下：(1)制备芯材：将光固化树脂浸涂到单根碳纤维上，得到包覆有光固化树脂的增强芯材；(2)制备线材：将热塑性树脂和步骤(1)制备得到的芯材挤压成型，得到增强线材。与现有技术相比，本发明制备的线材强度高，性质稳定，不需要重新设计3D打印机，制备工艺无污染。

Description

一种可用于熔融沉积成型的增强线材及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种，尤其是涉及一种可用于熔融沉积成型的增强线材及其制备方法。

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，市面上现有的可用于熔融沉积线材强度不高，抗拉性能差，且工艺复杂，污染大、效率低，难以满足日益多样化、复杂化的可用于熔融沉积成型构件需求。

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可用于熔融沉积成型的增强线材及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可用于熔融沉积成型的增强线材，包括增强芯材，以及包裹在芯材外的热塑性树脂，所述增强芯材包括位于中心的碳纤维和包覆在碳纤维外的光固化树脂。

进一步的，所述热塑性树脂为PVC(聚氯乙烯)、PLA(聚乳酸)或ABS。

进一步的，所述碳纤维的直径为80-120微米。

进一步的，所述光固化树脂的耐受热温度为255℃及以上。

进一步的，所述光固化树脂为TPU树脂。

进一步的，所述碳纤维的耐受热温度为300℃及以上。

一种可用于熔融沉积成型的增强线材的制备方法，具体步骤如下：

(1)制备芯材：将光固化树脂浸涂到单根碳纤维上，得到包覆有光固化树脂的增强芯材；

(2)制备线材：将热塑性树脂和步骤(1)制备得到的增强芯材挤压成型，得到增强线材。

进一步的，所述芯材的直径为380-420微米。

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。碳纤维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

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。

与现有技术相比，本发明的制备方法具有无污染、高效率的优势，且不需要重新设计3D打印机，所获得的线材在强度上相较于传统的可用于熔融沉积线材有着巨大的提升，尤其在抗拉性能上有着显著的提高，性质稳定，能满足日益多样化、复杂化的可用于熔融沉积成型构件需求。

附图说明

图1为本发明实施例中增强芯材制备的工艺流程图；

图2为本发明实施例中增强线材制备的工艺流程图；

图3为制备增强芯材的设备示意图；

图4为增强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：

本实施例所用到的原材料有碳纤维，固态TPU树脂材料及固态ABS材料。其中碳纤维和固态TPU树脂材料可在市面上购得，要求碳纤维材料具有一定弹性且直径为100微米左右。碳纤维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。

一种可用于熔融沉积成型的增强线材的制备方法，具体步骤如下：

步骤(1)，如图1所示：碳纤维一端缠绕在原料线盘上，TPU树脂材料在加热融化后进入储液池，然后进入浸涂池，保证浸涂池液面高度与温度保持不变。浸涂池中碳纤维表面被浸涂上一层树脂材料作为保护层，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，由紫外光照射进行固化。固化后进行直径测量，调节线材行进速率，从而保证线材浸涂厚度一定。最终得到了含保护层的增强芯材。保护层可保证碳纤维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。

步骤(2)，如图2所示：得到含保护层的增强芯材后，再对其直径进行复测并使其长度满足挤压成型机要求。预处理后，将线材送入传动滑轮并开动电机使线材缓慢经引导通道通过原料缸。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增强芯材形成接触挤压。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丝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增强线材，在打印过程中，丝材外部ABS材料融化沉积，内部保护层及内部材质增强材料性能保持不变，从而达到所需功能。

上述实施例1中，为提高制备过程中的自动化水平，可以设置由常规的传感器、电机、PLC控制器等组成的动态自动调节系统，以实现对制备过程中加热温度、包覆的树脂厚度的自动检测反馈调节，当然，也可以将这些动态调节设备去除，通过手动调节加热装置、电机等设备来实现对增强线材制备过程中树脂包覆厚度与加热温度等的调节。

实施例2-3

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中将ABS材料改为PLA或PVC。

将上述实施例1和实施例2制得增强线材与常规传统的PLA线材和ABS线材进行比较，所得性能结果如下表1。

表1

性能测试	传统PLA线材	实施例2	传统ABS线材	实施例1
					平均拉伸强度	≥60MPa	≥10GPa	≥43MPa	≥10GPa

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(即增强芯材)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(即增强芯材)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)

1.一种可用于熔融沉积成型的增强线材，其特征在于，包括增强芯材，以及包裹在芯材外的热塑性树脂，所述增强芯材包括位于中心的碳纤维和包覆在碳纤维外的光固化树脂。

2.根据权利要求1所述的一种可用于熔融沉积成型的增强线材，其特征在于，所述热塑性树脂为PVC、PLA或ABS。

3.根据权利要求1所述的一种可用于熔融沉积成型的增强线材，其特征在于，所述碳纤维的直径为80-120微米。

4.根据权利要求1所述的一种可用于熔融沉积成型的增强线材，其特征在于，所述光固化树脂的耐受热温度为255℃及以上。

5.根据权利要求1所述的一种可用于熔融沉积成型的增强线材，其特征在于，所述光固化树脂为TPU树脂。

6.根据权利要求1所述的一种可用于熔融沉积成型的增强线材，其特征在于，所述碳纤维的耐受热温度为300℃及以上。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种可用于熔融沉积成型的增强线材的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)制备芯材：将光固化树脂浸涂到单根碳纤维上，得到包覆有光固化树脂的增强芯材；

(2)制备线材：将热塑性树脂和步骤(1)制备得到的芯材挤压成型，得到增强线材。

8.根据权利要求7所述的一种可用于熔融沉积成型的增强线材的制备方法，其特征在于，所述增强芯材的直径为380-420微米。

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