CN111572016B - 一种连续纤维增强构件的3d打印成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续纤维增强构件的3D打印成型方法，属于3D打印技术领域，包括：1)光敏树脂与连续纤维在挤出头内部充分接触，形成复合前驱体；2)利用3D打印平台同步进行构件成型；3)在光照条件下，打印过程中光敏树脂发生交联固化，完成连续纤维与光敏树脂的复合强化，得到连续纤维增强构件；本发明使用连续纤维与光敏树脂的复合材料作为原料，借助3D打印平台完成构件成型，以及精确剪短操作，实现树脂与纤维复合强化及成型过程是同步协调完成的，因此在提升构件整体性能的同时，从而构件成型的效率也得到提高。在光敏树脂与连续纤维的选择上有着更为广泛的适用性与结合性，能够针对不同材质构件进行选择性的打印成型。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种连续纤维增强构件的3D打印成型方法。
背景技术
光敏树脂指用于光固化快速成型的材料为液态光固化树脂，主要由齐聚物、光引发剂、稀释剂组成。其本身是由高分子组成的具有一定粘度的胶状物质，这些高分子如同散乱的链式交连的篱网状碎片。光敏树脂遇光后会改变其化学结构，这些分子结合成较长的交联聚合物高分子，聚合物由胶质树脂转变成坚硬物质。光敏树脂具有固化速度快，生产与能量利用率高的特点，是一种环境友好型材料。固化后的光敏树脂具有强度高、耐磨、耐腐蚀等特性。同时光敏树脂可涂装各种基材，如塑料、皮革、金属、玻璃、陶瓷、纤维等，但是固化后的光敏树脂存在韧性较差的问题。
连续纤维具有许多优良性能，纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，又兼备纺织可加工性。而纤维本身强度较低，耐磨性、抗剪切应变能力较差。FDM-3D打印技术是将低熔点线型材料热化后从挤出头喷出，挤出头在计算机的控制下，沿零件的每一截面的轮廓准确运动，挤出半流动的热塑材料沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的构件层之上，每完成一层成型，工作台便下降一层高度，喷头再进行下一层截面的扫描喷丝，如此反复逐层沉积，直到最后一层，这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件，这要求材料本身存在一定强度的同时，在打印过程中也需要具有一定塑性特性。
现有技术中，连续纤维和光敏树脂需要提前预浸，然后进行3D打印成型，生产效率低，由于光敏树脂遇光后极易发生固化，从而改变其化学结构，生成较长的交联聚合物高分子，容易堵塞喷头，导致打印成功率不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续纤维增强构件的3D打印成型方法，将材料复合过程与成型同步进行，以提高生产效率和打印成功率。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种连续纤维增强构件的3D打印成型方法，包括：
光敏树脂与连续纤维在挤出头内部充分接触，使连续纤维表面包裹光敏树脂，形成复合前驱体；
利用3D打印平台同步进行构件成型；
在光照条件下，打印过程中光敏树脂发生交联固化，完成连续纤维与光敏树脂的复合强化，得到连续纤维增强构件；
所述挤出头包括从上至下依次设置的送丝装置、剪断装置、挤出腔体和喷嘴，所述送丝装置设有第一进料端，用于连续纤维的进料口，所述挤出腔体设有第二进料端，第二进料端与挤出腔体连通，用于光敏树脂的进料口，以实现连续纤维和光敏树脂的同步进料。
优选的，所述送丝装置包括框架、以及设置于其上的驱动轮、驱动电机、从动轮，驱动轮通过联轴器与驱动电机的输出轴相连，连续纤维通过驱动轮和从动轮之间并夹紧，驱动轮在驱动电路控制下转动，带动连续纤维向前进行送料，通过挤出腔体进料端口，进入挤出腔体内部。
优选的，所述剪断装置包括第一刀片、第二刀片，剪断装置与3D打印平台的控制系统连接，在纤维堆积成型过程中，根据构件模型路径与堆积方式的设计，从而实现对挤出腔体进料端口的连续纤维进行精确剪断操作。
精确剪断操作能保证为打印部位剩余部分留下充足余料，同时，在完成该部位打印过程后，挤出系统路径转移过程中停止材料供给的挤出。
优选的，所述第二进料端通过外接导管与蠕动泵连接，进行光敏树脂供料。
优选的，所述连续纤维的直径略小于挤出头喷嘴，从而使复合前驱体能够从顺利通过挤出头喷嘴。
优选的，所述成型借助FDM-3D打印平台完成。
优选的，所述光敏树脂为市场上通用的液态光敏树脂。
优选的，所述连续纤维为韧性连续纤维、非韧性连续纤维中的一种。
更优选的，所述韧性连续纤维为连续玻璃纤维、连续金属纤维、连续竹炭纤维、连续韧性矿物纤维、连续韧性合成纤维中的一种，韧性连续纤维质硬，本身存在一定塑性，同时存在一定非轴向强度。
更优选的，所述非韧性连续纤维为连续碳纤维、连续尼龙纤维、连续芳纶纤维、连续非韧性天然纤维、连续非韧性合成纤维中的一种，非韧性连续纤维质软，本身塑性较好，非轴向强度较低。
在一个具体的实施方式中，采用韧性连续纤维，可直接采用FDM-3D打印平台进行供给打印。
在一个具体的实施方式中，采用非韧性连续纤维，先进行表面处理，使其具有一定韧性，再按照韧性连续纤维的方式进行打印，所述表面处理为加热处理、酸性腐蚀处理、涂覆处理中的任意一种。
进一步，采用非韧性连续纤维，对其进行表面涂覆处理，包括以下步骤：
(1)将非韧性连续纤维放入与打印相同材质的光敏树脂中进行浸泡，保证纤维与树脂充分接触；
(2)浸泡完成后将连续纤维拉直平放在桌面上，使用光源对其进行光照，使表面的光敏树脂固化完成韧性处理。
进一步，采用非韧性连续纤维，对其进行表面涂覆处理，包括以下步骤：
(a)以丙烯酰胺为包覆层对非韧性连续碳纤维进行同轴包覆处理；
(b)使用光源对同轴包覆的连续纤维进行光照，使表面的丙烯酰胺发生交联固化完成硬质化。
本发明的原理：本发明通过光敏树脂与连续纤维在挤出头内部形成复合前驱体，随后借助FDM-3D打印平台在构件成型的过程中完成材料复合增强的一种方法，本发明在第一进料端通入连续纤维，第二进料端通入光敏树脂，光敏树脂与纤维充分接触，使纤维表面包裹光敏树脂，随后在底板堆积成型，在打印过程中提供光源进行光照，光敏树脂在光照条件下迅速交联固化，在完成光敏树脂与纤维复合过程的同时，保证了光敏树脂与平台基底、光明树脂层与层之间的粘连、交联，从而保证了最终样品的成型与稳定性，最终得到强化的3D打印构件。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明使用连续纤维与光敏树脂的复合材料作为原料，借助FDM-3D打印平台完成构件成型，以及精确剪短操作，实现树脂与纤维复合强化及成型过程是同步协调完成的，因此在提升构件整体性能的同时，缩短了从原料强化到成型过程的周期，从而构件成型的效率也得到提高。另一方面，在光敏树脂与连续纤维的选择上有着更为广泛的适用性与结合性，能够针对不同材质构件进行选择性的打印成型。
本发明采用连续纤维与树脂复合的方法，对成型材料进一步强化，从而提高了最终构件的质量与性能，同时材料复合过程和构件成型过程同步完成，提高打印材料的性能之外保证了打印效率，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明3D打印平台挤出头的结构示意图。
图2为图1的A-A方向剖面图。
图3为连续纤维与光敏树脂的复合强化过程示意图。
图示序号：
1—送丝装置，101—第一进料端，102—框架，103—驱动轮，104—驱动电机，105—从动轮；
2—剪断装置；
3—挤出腔体，301—第二进料端，302—挤出腔体进料端口；
4—喷嘴；
5—打印平台基底；
6—连续纤维增强构件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
实施例1
本发明提供一种连续纤维增强构件的3D打印成型方法，包括以下步骤：
步骤一、光敏树脂与连续纤维在挤出头内部充分接触，使连续纤维表面包裹光敏树脂，形成复合前驱体；
步骤二、利用FDM-3D打印平台同步进行构件成型；
步骤三、在光照条件下，打印过程中光敏树脂发生交联固化，完成连续纤维与光敏树脂的复合强化，如图3所示，得到连续纤维增强构件；
如图1～2所示，挤出头包括从上至下依次设置的送丝装置1、剪断装置2、挤出腔体3和喷嘴4，送丝装置1设有第一进料端101，用于连续纤维的进料口，挤出腔体3设有第二进料端301，第二进料端301与挤出腔体3连通，第二进料端301通过外接导管与蠕动泵连接，从而实现连续纤维和光敏树脂的同步进料。
送丝装置1包括框架102、以及设置于其上的驱动轮103、驱动电机104、从动轮105，驱动轮103通过联轴器与驱动电机104的输出轴相连，连续纤维通过驱动轮103和从动轮105夹紧，驱动轮103在驱动电路控制下转动，带动连续纤维向前进行送料，通过挤出腔体进料端口302，进入挤出腔体3内部。
剪断装置2包括第一刀片、第二刀片，剪断装置与3D打印平台的控制系统连接，在纤维堆积成型过程中，根据构件模型路径与堆积方式的设计，从而实现对挤出腔体进料端口的连续纤维进行精确剪断操作。
精确剪断操作能保证为打印部位剩余部分留下充足余料，同时，在完成该部位打印过程后，挤出系统路径转移过程中停止材料供给的挤出。
连续纤维的直径略小于挤出头喷嘴4，从而使复合前驱体能够从顺利通过挤出头喷嘴4。
实施例2(韧性连续纤维打印)
本实施例以韧性连续纤维为对象，采用连续玻璃纤维，质硬，本身存在一定塑性，同时存在一定非轴向强度，可直接采用FDM-3D打印平台进行供给打印，具体步骤为：
(1)将连续玻璃纤维穿过框架102上的第一进料端101，通过驱动轮103和从动轮105之间并夹紧，驱动轮103在驱动电路控制下转动，带动连续纤维向前进行送料，纤维通过挤出腔体进料端口302，进入挤出腔体3内部；
(2)将蠕动泵装载好光敏树脂，连通好导管接入第二进料端301，将挤出头内部填充满光敏树脂；
(3)将打印器件模型载入FDM-3D打印平台，驱动挤出系统进行打印成型，在送丝装置作用下复合前驱体从挤出头喷嘴挤出，同时在打印平台基底5上开始成型，成型开始的同时，通过FDM主板控制光源开启，对打印体进行光照，连续纤维表面的光敏树脂开始发生交联固化，完成光敏树脂与纤维复合，形成连续纤维增强构件6，同时使打印基层与打印平台基底或前一层能够很好的粘连与交联，从而打印的每个层面得以稳定，最终保证整个构件的稳定与强化；
(4)在每一层打印结束前，通过FDM主板进行精确计算发出一个剪断操作信号，剪断装置2将连续纤维剪断，随后精确预留的剩余纤维在已打印成型部分的拽动作用及挤出头规划的路径下被拉出，进而完成该层或该部位的打印过程，同时在挤出头进行非打印的空间转移过程中不会有纤维挤出，而在挤出系统转移到打印位置的同时，另一端的纤维被机械滚动装置重新装载进行打印成型，最后随着每一层的复合增强及叠加完成构件的打印成型。
实施例3(光敏树脂包覆的非韧性型连续纤维打印)
本实施例以非韧性连续纤维为对象，采用连续碳纤维，质软，无法依靠送丝装置递进挤出，需要先进行表面涂覆处理，使其具有一定韧性，再按照韧性连续纤维的方式进行打印，具体步骤为：
(1)将连续碳纤维放入与打印相同材质的光敏树脂中进行浸泡，保证碳纤维与光敏树脂充分接触；
(2)浸泡完成后将碳纤维拉直平放在桌面上，使用光源对其进行光照，使表面的光敏树脂固化完成韧性处理；
(3)最后执行韧性连续纤维打印成型的过程，具体操作和实施例2相同。
实施例4(外层可溶的同轴硬质连续纤维打印)
本实施例以非韧性连续纤维为对象，采用连续尼龙纤维，质软，无法依靠送丝装置递进挤出，需要先进行外层可溶的同轴硬质化处理，使其具有一定韧性，再按照韧性连续纤维的方式进行打印，具体步骤为：
(1)以丙烯酰胺为包覆层，对连续尼龙纤维进行同轴包覆处理；
(2)使用光源对同轴包覆的尼龙纤维进行光照，使表面的丙烯酰胺发生交联固化完成硬质化；
(3)最后执行韧性连续纤维打印成型的过程，具体操作和实施例2相同；
由于交联后的丙烯酰胺具有一定的水溶性，因此本实例中使用的树脂为水溶性光敏树脂，在光敏树脂与连续尼龙纤维充分接触后，硬化的连续尼龙纤维的塑性会有所提高，这样在保证依靠送丝装置进行挤出打印的同时，又能够满足逐层打印的成型的条件。
Claims (8)
1.一种连续纤维增强构件的3D打印成型方法，其特征在于包括：
光敏树脂与连续纤维在挤出头内部充分接触，使连续纤维表面包裹光敏树脂，形成复合前驱体；
利用3D打印平台同步进行构件成型；
在光照条件下，打印过程中光敏树脂发生交联固化，完成连续纤维与光敏树脂的复合强化，得到连续纤维增强构件；
所述挤出头包括从上至下依次设置的送丝装置、剪断装置、挤出腔体和喷嘴，所述送丝装置设有第一进料端，用于连续纤维的进料口，所述挤出腔体设有第二进料端，第二进料端与挤出腔体连通，用于光敏树脂的进料口，以实现连续纤维和光敏树脂的同步进料；
所述送丝装置包括框架、以及设置于其上的驱动轮、驱动电机、从动轮，驱动轮通过联轴器与驱动电机的输出轴相连，连续纤维通过驱动轮和从动轮之间并夹紧，驱动轮在驱动电路控制下转动，带动连续纤维向前进行送料，通过挤出腔体进料端口，进入挤出腔体内部；
所述剪断装置包括第一刀片、第二刀片，剪断装置与3D打印平台的控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的连续纤维增强构件的3D打印成型方法，其特征在于，所述第二进料端通过外接导管与蠕动泵连接，进行光敏树脂供料。
3.根据权利要求1～2中任一项所述的连续纤维增强构件的3D打印成型方法，其特征在于，所述连续纤维的直径略小于挤出头喷嘴。
4.根据权利要求1所述的连续纤维增强构件的3D打印成型方法，其特征在于，所述连续纤维为韧性连续纤维、非韧性连续纤维中的一种；
所述韧性连续纤维为连续玻璃纤维、连续金属纤维、连续竹炭纤维、连续韧性矿物纤维、连续韧性合成纤维中的一种，韧性连续纤维质硬，本身存在一定塑性，同时存在一定非轴向强度；
所述非韧性连续纤维为连续碳纤维、连续尼龙纤维、连续芳纶纤维、连续非韧性天然纤维、连续非韧性合成纤维中的一种，非韧性连续纤维质软，本身塑性较好，非轴向强度较低。
5.根据权利要求4所述的连续纤维增强构件的3D打印成型方法，其特征在于，采用韧性连续纤维，可直接采用FDM-3D打印平台进行供给打印。
6.根据权利要求4所述的连续纤维增强构件的3D打印成型方法，其特征在于，采用非韧性连续纤维，先进行表面处理，使其具有一定韧性，再按照韧性连续纤维的方式进行打印，所述表面处理为加热处理、酸性腐蚀处理、涂覆处理中的任意一种。
7.根据权利要求6所述的连续纤维增强构件的3D打印成型方法，其特征在于，采用非韧性连续纤维，对其进行表面涂覆处理，包括以下步骤：
(1) 将非韧性连续纤维放入与打印相同材质的光敏树脂中进行浸泡，保证纤维与树脂充分接触；
(2) 浸泡完成后将连续纤维拉直平放在桌面上，使用光源对其进行光照，使表面的光敏树脂固化完成韧性处理。
8.根据权利要求6所述的连续纤维增强构件的3D打印成型方法，其特征在于，采用非韧性连续纤维，对其进行表面涂覆处理，包括以下步骤：
(a) 以丙烯酰胺为包覆层对非韧性连续碳纤维进行同轴包覆处理；
(b) 使用光源对同轴包覆的连续纤维进行光照，使表面的丙烯酰胺发生交联固化完成硬质化。
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