CN111186138A - 一种连续纤维熔融浸渍的3d打印装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

一种连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置及方法，以热塑性树脂为基体，以连续玻璃纤维或碳纤维为增强体。3D打印装置包括挤出机、放卷辊、预张紧辊、红外辐射装置、气辅摆动装置、丝材浸润模具、冷却装置和3D打印机。连续纤维束先经过预张紧辊进行预分散，红外辐射装置对连续纤维的上下表面进行预热，预热好的的连续纤维在气辅摆动装置作用下展开一定的宽度，随后进入到丝材浸润模具内，在波浪形流道的作用下完成树脂基体对纤维束的浸润过程，经内牵引辊的牵引向前输送，经过圆形的定型口模后，成型为可用于3D打印的连续纤维预浸丝，经冷却、送丝、打印，最终制得连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印制品。该发明可实现连续纤维在树脂基体内的均匀分散和充分浸渍，制得具有良好界面结合、性能优异的3D打印连续纤维增强热塑性复合材料制品，同时可实现连续纤维耗材、3D打印复合材料制品的实时一体化成型。

Description

一种连续纤维熔融浸渍的3D打印装置及工艺
技术领域
本发明属于复合材料制造领域，尤其涉及一种连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置，以及采用该装置的3D打印方法。
背景技术
传统的单一材料成型的零件往往力学性能较差，难以满足各行业对高性能材料的需求。近年来，研究人员将3D打印技术与纤维增强热塑性复合材料结合起来，以达到提高打印件力学性能的目的，而短纤维是一种常用的增强材料，因为短纤维增强热塑性复合材料具有相对简单且成熟的制造工艺。尽管用短纤维增强热塑性复合材料打印的零部件能提高其力学性能，但这些性能仅略好于纯塑料，由于短纤维的存在，可以检测到明显的孔隙率和粘结不良现象，这也限制了复合材料机械性能的提升空间。采用连续纤维增强进行3D打印可以显著提高热塑性复合材料的性能。
目前，利用连续纤维增强热塑性树脂进行3D打印采用的主要方式是直接将连续纤维束引入到打印机的喷嘴中，连续纤维束和3D打印丝材同时通过打印机的喷嘴进行打印，该技术的主要缺陷是连续纤维与热塑性树脂基体的界面结合比较差，纤维束没有经过充分浸渍，这主要是由于3D打印机喷嘴内流道较小短，物料在喷嘴内的停留时间较短，另外缺少足够的成型压力，导致树脂基体对纤维束的浸渍效果比较差。这将不能充分发挥连续纤维对复合材料制品的增强作用。也有将纤维浸渍和打印分开进行的工艺方式，纤维与树脂的浸润性虽然有所改善，但通过预浸槽对固体树脂进行加热效率太低，熔融时间太长，且预浸槽内腔空间太多，容易使熔融树脂在槽内长时间停留而氧化降解，影响复合材料制品的性能。另外，由于没有施压装置，槽内浸渍压力比较低，不利于树脂基体对纤维进行浸渍，不能充分发挥连续纤维对复合材料的增强作用，成型工艺有待进一步提高。此外，3D打印连续纤维增强热塑性复合材料制品的表面质量一般比较差，尤其是上表面，这主要和喷嘴出料口与制品的接触面积较小、挤压力不够以及打印过程中的喷嘴内的滞料现象有关，需对喷嘴结构进行优化来提高复合材料制品的表面质量。
发明内容
克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置及工艺，实现一步法成型，纤维与树脂基体界面结合良好，纤维充分分散，打印出的复合材料制品具有优异的力学性能，并显著提高3D打印复合材料制品的表面质量。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置，包括放卷辊、挤出机、预张紧辊、红外辐射装置、气辅摆动装置、丝材浸润模具、冷却装置和3D打印机，所述挤出机与丝材浸润模具呈直角式连接；所述丝材浸润模具包括加热棒、流道、内牵引辊和定型口模，丝材浸润模具内的流道为波浪形流道，波浪形流道的包覆角为300°-450°，流道间隙为8~10mm，内牵引辊为一对相向旋转的金属辊，由伺服电机驱动，用来牵引纤维束，以及通过挤压作用实现熔融树脂对纤维束的浸润，内牵引辊对纤维束的牵引速度与打印机送丝机构的送丝速度相同，定型口模固定在丝材浸润模具的末端，定型口模的直径D为0.7-1.2mm，长度为15~20D；所述3D打印机包括发散型喷嘴。
可选的，所述的气辅摆动装置包括摆动装置和气辅装置，其中摆动装置包括凸轮、驱动轴、步进电机和联轴器，凸轮为不锈钢材质，表面进行电镀，凸轮与驱动轴通过键连接，步进电机的输出轴通过联轴器与驱动轴相连，带动凸轮转动，使纤维束沿着垂直纤维拖曳方向和平行纤维拖曳方向进行扰动，气辅摆动装置的凸轮摆动频率为10-20r/min，偏心幅值为10-15mm；气辅装置位于纤维束正下方，由电机驱动，气流速度为2-8m/min，气流方向垂直于纤维束表面向下，从纤维单丝之间穿过，纤维束通过导向辊和限位辊进行导向和限位，限位辊的位置可以上下调节。
可选的， 所述发散型喷嘴的发散角α为30-60°，发散段长度为1-1.5倍喷嘴流道直径，喷嘴出口处进行倒圆角处理，喷嘴边缘宽度d为2~4mm。
可选的，所述的挤出机为单螺杆挤出机，螺杆直径为20mm，长径比为25-30，螺杆转速为0-30r/min。
可选的，所述的挤出机为双螺杆挤出机，螺杆直径为20mm，长径比为40-50，螺杆转速为0-150r/min。
可选的，所述连续纤维为玻璃纤维或碳纤维，所述热塑性树脂为聚乳酸、尼龙、聚苯硫醚或聚醚醚酮。
可选的，所述的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置的3D打印方法，包括如下步骤：
a，连续纤维束经放卷辊放卷后，先经过预张紧辊进行预分散，然后通过红外辐射装置对连续纤维束的上下表面进行预热，预热温度为100-200℃；
b，使预热好的连续纤维经过气辅摆动装置，其中摆动装置通过凸轮的偏心旋转，使连续纤维沿着垂直纤维拖曳方向和平行纤维拖曳方向进行扰动，位于纤维束正下方的气辅装置向连续纤维提供气流，气流方向垂直于纤维束表面向下，在初始纤维的作用下，两侧的气流速度大于中间被纤维阻挡的气流，从而使得两侧的压强较低，在空气压强的作用下，纤维束开始向两侧进行逐步展开，使纤维束分丝，纤维束最终展开宽度为15-25mm、厚度为0.03-0.06mm；
c，挤出机将热塑性树脂熔融塑化后向丝材浸润模具供料，将展开后的纤维束引入到丝材浸润模具内，在波浪形流道的作用下完成树脂基体对纤维束的浸润过程，浸润后的纤维经内牵引辊向前输送，经过圆形的定型口模成型，并经冷却装置冷却定型，定型的丝材为可用于3D打印的连续纤维预浸丝，直径为0.7-1.2mm；
d，将制得的连续纤维预浸丝冷却后经3D打印机的送丝机构输送到打印机的发散型喷嘴内，进行3D打印成型，最终制得连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印制品。
与现有技术对比，本发明的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置及3D打印方法，具有以下有益的效果：
（1）采用一步法的成型工艺，即：预浸丝的制备与预浸丝打印过程同步进行，而不需要额外的预浸丝收卷装置。丝材浸润模具内具有波浪形流道，通过包覆角的合理设计，可保证树脂基体对纤维束具有良好的界面结合，由于没有太大的空腔体积，波浪形流道可以避免熔融树脂在丝材浸润模具内长期滞留而发生热降解的现象，提高物料的利用率，另外，通过挤出机往丝材浸润模具内注射熔融的树脂可保证丝材浸润内有足够的成型压力，制得的丝材具有更好的圆度；
（2）气辅摆动装置通过吸气的方式，气流更集中且可以均匀的让气体从纤维单丝间穿过，保证纤维束展开的宽且薄，为浸渍提供了一个很好的条件，另外，气流对纤维束损伤很少。其中的摆动装置对纤维有回拉的作用，对纤维束沿着垂直纤维牵引方向和平行纤维牵引方向起拖曳、扰动作用，从而提高浸渍效果，另外，张紧纤维束的同时，也可以保证预热后的纤维束变得松散，便于后续进行展纱。
（3）丝材浸润模具内的内牵引辊可以为树脂基体浸润纤维束提供足够的压力，有利于纤维束与树脂基体的界面结合，也可以避免外牵引辊在牵引冷却的预浸丝时出现的将预浸丝中树脂基体压碎的现象，特别是一些比较脆的材料，如聚乳酸。浸渍效果好，可以提高3D打印制品的性能；
（4）打印机喷嘴为发散型喷嘴，喷嘴出口处具有一定的扩张角，喷嘴出口处进行光滑的倒圆角处理，在打印过程中可以保证树脂基体出料顺畅，实现树脂基体与连续纤维同步挤出，避免喷嘴堵塞，也可减少纤维的磨损，喷嘴边缘与制品表面较大的接触面积，可保证复合材料制品具有光滑、平整的表面。
附图说明
图1是本发明连续纤维熔融浸渍的3D打印装置示意图；
图2是挤出机与丝材浸润模具的连接形式示意图；
图3是本发明连续纤维熔融浸渍的3D打印装置的气辅摆动装置示意图；
图4是本发明连续纤维熔融浸渍的3D打印装置的3D打印机喷嘴示意图。
其中，1-放卷辊，2-挤出机，3-预张紧辊，4-红外辐射装置，5-气辅摆动装置，6-摆动装置，7-导向辊，8-限位辊，9-丝材浸润模具，10-加热棒，11-流道，12-内牵引辊，13-定型口模，14-冷却装置，15-3D打印机，16-喷嘴，17-气辅装置，18-凸轮，19-驱动轴，20-步进电机，21-联轴器。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
参照图1-3，本发明的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置，包括放卷辊1、挤出机2、预张紧辊3、红外辐射装置4、气辅摆动装置5、丝材浸润模具9、冷却装置14和3D打印机15，挤出机2与丝材浸润模具9呈直角式连接；所述丝材浸润模具9包括加热棒10、流道11、内牵引辊12和定型口模13，丝材浸润模具9内的流道11为波浪形流道，波浪形流道的包覆角为300°-450°，流道间隙为8~10mm，内牵引辊12为一对相向旋转的金属辊，由伺服电机驱动，对纤维束起到一个牵引作用，以及通过挤压作用，实现熔融树脂对纤维束的浸润作用，内牵引辊12的牵引速度与打印机15的送丝机构的送丝速度相同，速度为3-5m/min，定型口模13通过螺纹连接固定在丝材浸润模具9的末端，定型口模13的直径D为0.7-1.2mm，长度为直径D的15~20倍。
所述的气辅摆动装置5由摆动装置6和气辅装置17组成，其中摆动装置由凸轮18、驱动轴19、步进电机20和联轴器21组成，凸轮为不锈钢材质，表面进行电镀，以避免对纤维进行磨损，凸轮18与驱动轴19通过键连接，步进电机20的输出轴通过联轴器21与驱动轴19相连，带动凸轮18进行转动，让纤维束沿着垂直纤维拖曳方向和平行纤维拖曳方向进行扰动，改善树脂基体对纤维束的浸渍效果，张紧纤维束的同时，也可以保证预热后的纤维束变得松散，便于后续进行展纱，气辅摆动装置5中的凸轮18 的摆动频率为10-20r/min，偏心幅值为10-15mm；气辅装置17位于纤维束正下方，由电机驱动，气流速度为2-8m/min，气流方向垂直于纤维束表面向下，从纤维单丝之间穿过，可有效避免纤维的损伤，纤维束通过导向辊7和限位辊8进行导向和限位，限位辊8的位置可以上下调节，经气辅摆动装置展纱后的单束纤维宽度为15-25mm，厚度为0.03-0.06mm。
所述的3D打印机15的喷嘴16为发散型喷嘴，发散角α为30-60°，发散段长度为1-1.5倍喷嘴流道直径，可以保证出料顺畅，避免喷嘴堵塞，喷嘴出口处进行光滑的倒圆角处理，减少对纤维的磨损，喷嘴边缘宽度为2~4mm，可保证打印过程中喷嘴边缘与制品表面有更大的接触面积，打印的复合材料制品表面光滑、平整。
所述的挤出机2为单螺杆挤出机或双螺杆挤出机，单螺杆挤出机的螺杆直径为20mm，长径比为25-30，螺杆转速为0-30r/min，双螺杆挤出机的螺杆直径为20mm，长径比为40-50，螺杆转速为0-150r/min。
所述的连续纤维为玻璃纤维或碳纤维，所用的热塑性树脂为聚乳酸、尼龙、聚苯硫醚或聚醚醚酮等。
采用本发明的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置的3D打印方法，工艺过程如下，
（1）连续纤维束经放卷辊1放卷后，先经过预张紧辊3进行预分散，然后通过红外辐射装置4对连续纤维束的上下表面进行预热，预热温度为100-200℃；
（2）预热好的的连续纤维经过气辅摆动装置5，其中摆动装置6通过凸轮的偏心旋转，让连续纤维沿着垂直纤维拖曳方向和平行纤维拖曳方向进行扰动，改善树脂基体对纤维束的浸渍效果，张紧纤维束的同时，也可以保证预热后的纤维束变得松散，便于后续进行展纱，另外，气辅装置17位于纤维束正下方，展纱方式为吸气，气流方向垂直于纤维束表面向下，在初始纤维的作用下，两侧的气流速度大于中间被纤维阻挡的气流，从而导致了两侧的压强较低，在空气压强的作用下，纤维束开始向两侧进行逐步展开，从而达到了使得纤维束分丝的作用，起到很好的展纱作用，最终展开宽度为15-25mm；
（3）挤出机2将热塑性树脂熔融塑化后给丝材浸润模具9供料，展开后的纤维束同时进入到丝材浸润模具9内，在波浪形流道的作用下完成树脂基体对纤维束的浸润过程，浸润后的纤维经内牵引辊12的牵引向前输送，经过圆形的定型口模13成型，并经冷却装置14冷却定型，定型的丝材为可用于3D打印的连续纤维预浸丝，直径为0.7-1.2mm；
（4）制得的连续纤维预浸丝冷却后经3D打印机15的送丝机构输送到打印机的喷嘴16内，在加热块的热源作用下，预浸丝中的热塑性树脂受热熔融，随纤维束以相同的挤出速率沉积到打印平台上，最终制得连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印制品。
实施例1
采用本发明的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置和3D打印方法，其中参数为：
丝材浸润模具9内的波浪形流道的包覆角为300°，流道间隙为8mm，内牵引辊12的牵引速度为3m/min，定型口模13直径D为0.7mm，长度取15倍的直径D。
摆动装置6中的凸轮18摆动频率为10r/min，偏心幅值为10mm。气辅装置17气流速度为2m/min，经气辅摆动装置展纱后的单束纤维宽度为15mm，厚度为0.03mm，红外辐射装置4的预热温度为100℃，定型口模13的直径为1mm, 制得的连续纤维预浸丝直径为1mm。
3D打印机15的喷嘴16的发散角α为30°，发散段长度为1倍喷嘴流道直径，喷嘴边缘宽度d为2mm。
采用单螺杆挤出机，螺杆直径为20mm，长径比为25，螺杆转速为15r/min。连续纤维束为玻璃纤维，所用的热塑性树脂为聚乳酸。
经测试，所制得的连续碳纤维增强尼龙6复合材料试样的弯曲强度、拉伸强度、层间剪切强度和孔隙率分别可达472MPa、327MPa、25MPa和1.7%。
实施例2
采用与实施例1相同的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置及工艺，其中参数为：
丝材浸润模具9内的波浪形流道的包覆角为375°，流道间隙为8mm，内牵引辊12的牵引速度为4m/min，定型口模13直径D为1mm，长度取15倍的直径D。
摆动装置6中的凸轮18摆动频率为15r/min，偏心幅值为12mm。气辅装置17气流速度为6m/min，经气辅摆动装置展纱后的单束纤维宽度为20mm，厚度为0.05mm，红外辐射装置4的预热温度为150℃，定型口模13的直径为1mm，制得的连续纤维预浸丝直径为1mm。
3D打印机15的喷嘴16的发散角α为45°，发散段长度为1.2倍喷嘴流道直径，喷嘴边缘宽度d为3mm。
挤出机2为双螺杆挤出机，螺杆直径为20mm，长径比为45，螺杆转速为50r/min。
连续纤维束为碳纤维，所用的热塑性树脂为尼龙6。
经测试，所制得的连续碳纤维增强尼龙6复合材料试样的弯曲强度、拉伸强度、层间剪切强度和孔隙率分别可达690MPa、485MPa、37MPa和2.1%、
实施例3
采用与实施例1相同的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置及工艺，其中参数为：
丝材浸润模具9内的波浪形流道的包覆角为450°，流道间隙为8mm，内牵引辊12的牵引速度为5m/min，定型口模13直径D为1.2mm，长度取20倍的直径D。
摆动装置6中的凸轮18摆动频率为20r/min，偏心幅值为15mm，气辅装置17气流速度为8m/min，经气辅摆动装置展纱后的单束纤维宽度为25mm，厚度为0.03mm，红外辐射装置4的预热温度为150℃，定型口模13的直径为1mm，制得的连续纤维预浸丝直径为1.2mm。
3D打印机15的喷嘴16的发散角α为60°，发散段长度为1..5倍喷嘴流道直径，喷嘴边缘宽度d为4mm。
挤出机2为双螺杆挤出机，螺杆直径为20mm，长径比为50，螺杆转速为100r/min。
纤维束为碳纤维，所用的热塑性树脂为聚醚醚酮。
经测试，所制得的连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料试样的弯曲强度、拉伸强度、层间剪切强度和孔隙率分别可达946MPa、753MPa、58 MPa和2.6%。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置，其特征在于：依次包括放卷辊（1）、挤出机（2）、预张紧辊（3）、红外辐射装置（4）、气辅摆动装置（5）、丝材浸润模具（9）、冷却装置（14）和3D打印机（15），所述挤出机（2）与丝材浸润模具（9）呈直角式连接；所述丝材浸润模具（9）包括加热棒（10）、流道（11）、内牵引辊（12）和定型口模（13），丝材浸润模具（9）内的流道（11）为波浪形流道，波浪形流道的包覆角为300°-450°，流道间隙为8~10mm，内牵引辊（12）为一对相向旋转的金属辊，由伺服电机驱动，用来牵引纤维束，以及通过挤压作用实现熔融树脂对纤维束的浸润，内牵引辊（12）对纤维束的牵引速度与打印机（15）送丝机构的送丝速度相同，定型口模（13）固定在丝材浸润模具（9）的末端，定型口模（13）的直径D为0.7-1.2mm，长度为15~20D；所述3D打印机（15）包括发散型喷嘴（16）。
2.根据权利要求书1所述的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置，其特征在于：所述的气辅摆动装置（5）包括摆动装置（6）和气辅装置（17），其中摆动装置（6）包括凸轮（18）、驱动轴（19）、步进电机（20）和联轴器（21）， 凸轮（18）为不锈钢材质，表面进行电镀，凸轮（18）与驱动轴（19）通过键连接，步进电机（20）的输出轴通过联轴器（21）与驱动轴（19）相连，带动凸轮（18）转动，使纤维束沿着垂直纤维拖曳方向和平行纤维拖曳方向进行扰动，气辅摆动装置（5）的凸轮（18）摆动频率为10-20r/min，偏心幅值为10-15mm；气辅装置（17）位于纤维束正下方，由电机驱动，气流速度为2-8m/min，气流方向垂直于纤维束表面向下，从纤维单丝之间穿过，纤维束通过导向辊（7）和限位辊（8）进行导向和限位，限位辊（8）的位置可以上下调节。
3.根据权利要求书1所述的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置，其特征在于：所述发散型喷嘴（16）的发散角α为30-60°，发散段长度为1-1.5倍喷嘴流道直径，喷嘴出口处进行倒圆角处理，喷嘴边缘宽度d为2~4mm。
4.根据权利要求书1所述的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置，其特征在于：所述的挤出机（2）为单螺杆挤出机，螺杆直径为20mm，长径比为25-30，螺杆转速为0-30r/min。
5.根据权利要求书1所述的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置，其特征在于：所述的挤出机（2）为双螺杆挤出机，螺杆直径为20mm，长径比为40-50，螺杆转速为0-150r/min。
6.根据权利要求书1-5之一所述的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置，其特征在于，所述连续纤维为玻璃纤维或碳纤维，所述热塑性树脂为聚乳酸、尼龙、聚苯硫醚或聚醚醚酮。
7.一种采用权利要求1-6任一项所述的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置的3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
a，连续纤维束经放卷辊（1）放卷后，先经过预张紧辊（3）进行预分散，然后通过红外辐射装置（4）对连续纤维束的上下表面进行预热，预热温度为100-200℃；
b，使预热好的连续纤维经过气辅摆动装置（5），其中摆动装置（6）通过凸轮的偏心旋转，使连续纤维沿着垂直纤维拖曳方向和平行纤维拖曳方向进行扰动，位于纤维束正下方的气辅装置（17）向连续纤维提供气流，气流方向垂直于纤维束表面向下，在初始纤维的作用下，两侧的气流速度大于中间被纤维阻挡的气流，从而使得两侧的压强较低，在空气压强的作用下，纤维束开始向两侧进行逐步展开，使纤维束分丝，纤维束最终展开宽度为15-25mm、厚度为0.03-0.06mm；
c，挤出机（2）将热塑性树脂熔融塑化后向丝材浸润模具（9）供料，将展开后的纤维束引入到丝材浸润模具（9）内，在波浪形流道的作用下完成树脂基体对纤维束的浸润过程，浸润后的纤维经内牵引辊（12）向前输送，经过圆形的定型口模（13）成型，并经冷却装置（14）冷却定型，定型的丝材为可用于3D打印的连续纤维预浸丝，直径为0.7-1.2mm；
d，将制得的连续纤维预浸丝冷却后经3D打印机（15）的送丝机构输送到打印机的发散型喷嘴（16）内，进行3D打印成型，最终制得连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印制品。
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