CN111844524B

CN111844524B - 一种混杂纤维增强树脂基复合材料3d打印丝材制备方法

Info

Publication number: CN111844524B
Application number: CN202010733340.0A
Authority: CN
Inventors: 肖鸿; 李婷; 明越科; 段玉岗; 郭文辉; 马玥
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2020-07-27
Filing date: 2020-07-27
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2040-07-27
Also published as: CN111844524A

Abstract

一种混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法，将纤维线轴上缠绕的不同干纤维丝束分别穿过纤维线轴座中心的导向孔，不同种纤维丝穿过的导向孔不同，纤维线轴座做旋转运动，带动靠近纤维线轴座一端的不同纤维干丝分别绕纤维线轴座中心旋转，因为纤维干丝的另一端不旋转，从而能形成一束麻花状混杂连续纤维丝束；将麻花状混杂连续纤维丝束穿过树脂溶液槽中的滚筒，再穿过树脂溶液槽上的刮胶孔，刮去多余的树脂，得到预浸后的麻花状混杂连续纤维丝束；将预浸后的麻花状混杂连续纤维束经过定型口模定型、冷却、预浸料收卷轮收卷，最终得到混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材，该丝材可直接用于3D打印机，发挥各纤维优势，提高成型件性能。

Description

一种混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法。

背景技术

混杂纤维增强树脂基复合材料是指两种或两种以上纤维增强同一种树脂基体的复合材料，这种复合材料充分发挥了各种纤维的优势，除了具有单一纤维增强复合材料的特点外，还具有一些其它的特殊性能，克服了单种材料无法满足多种性能要求的缺点；此外，纤维的多样性也增加了复合材料的可设计性，大大拓展了其使用范围。

3D打印技术是一种以数字模型为基础，通过运用金属粉末或塑料的线性丝材等可粘合的材料，以逐层打印或逐层选择性粘结的方式，来构造实体的快速增材制造技术。3D打印耗材是3D打印的物质基础，也是限制3D打印进一步发展应用的瓶颈。目前，常用的3D打印丝材主要为纯热塑性丝材，包括丙烯睛一丁二烯一苯乙烯共聚物(ABS)，聚乳酸(PLA)等，其具有承载能力弱，层间性能极差，拉伸强度不足等明显缺陷，这些缺陷严重地限制了其进一步的应用与发展。为了提高3D打印成型件的性能以满足更多应用领域的要求，很多国内外高校和企业研发团队开始了用于3D打印的纤维增强树脂基复合材料的研究，以提高3D打印成型件的性能。由于连续纤维好的力学性能和混杂纤维的优势，混杂连续纤维增强树脂基复合材料在3D打印领域具有非常广阔的应用前景。

连续增强树脂基复合材料3D打印技术已经实现，但现在还未有应用于3D打印的混杂连续纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材的相对有效的制备方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法，制得的混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材可直接用于在现有的连续纤维增强树脂基复合材料的3D打印机上进行打印。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:

一种混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法，包括以下步骤：

1)将纤维线轴上缠绕的不同干纤维丝束分别穿过纤维线轴座中心的导向孔，不同种纤维丝穿过的导向孔不同，纤维线轴座做旋转运动，带动靠近纤维线轴座一端的不同纤维干丝分别绕纤维线轴座中心旋转，因为纤维干丝的另一端不旋转，从而能形成一束麻花状混杂连续纤维丝束；

2)树脂溶液槽中部安装有一滚筒，滚筒与纤维线轴座同轴心，将步骤1)中得到的麻花状混杂连续纤维丝束穿过树脂溶液槽中的滚筒，再穿过树脂溶液槽上的刮胶孔，刮去多余的树脂，得到预浸后的麻花状混杂连续纤维丝束；

3)将步骤2)中得到预浸后的麻花状混杂连续纤维束经过定型口模定型、冷却、预浸料收卷轮收卷，最终得到混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材。

所述步骤1)中的纤维线轴座具有2个或2个以上线轴，以及2个或2个以上导向孔；线轴数和导向孔数相等或不等，1根纤维收卷在1个线轴上，同种的多根纤维干丝穿过多个导向孔，或穿过1个导向孔；不同种干纤维丝穿过不同导向孔，根据实验需要设计不同数量的线轴和导向孔。

所述步骤1)中的纤维线轴座安装在树脂溶液槽的壁上，其中纤维线轴在树脂溶液槽外部，不同纤维干丝束缠绕在不同维线轴上，纤维干丝束经过纤维线轴座上的导向孔进入到树脂溶液槽内部，开始预浸。

所述步骤1)中的纤维干丝为任意两种或两种以上的连续纤维。

所述步骤1)中的不同纤维干丝绕各自的线轴方向为同向，均为顺时针或逆时针，纤维干丝束穿过导向孔，并使纤维干丝处于张紧状态，则纤维干丝会向纤维线轴传递一定拉力，多根纤维干丝束传递的拉力会形成一个使纤维线轴座旋转的力矩，保证此力矩与纤维线轴座旋转方向相同，从而保证纤维干丝向外顺利拉出。

所述步骤2)中的树脂溶液槽中的树脂基体为热固性或热塑性树脂基体，具体树脂成分根据实验需要自行确定。

所述步骤2)中的滚筒内部具有螺纹槽，螺纹旋向与麻花状混杂纤维丝束旋向相同，滚筒上安装有齿轮，并在齿轮带动下做旋转运动，旋转方向为推动麻花状混杂纤维丝束向刮胶孔方向运动的方向，类似于螺栓和螺母，当滚筒旋转时，滚筒内部会产生压力，此压力能够改善混杂纤维的预浸效果。

所述的一种混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法所采用的设备，包括包括第一电机1，第一电机1输出轴上连接有第一齿轮2，第一齿轮2和第二齿轮3啮合，第二齿轮3安装在纤维线轴座4的中心轴上，所述的纤维线轴座4包括纤维线轴座圆盘41，纤维线轴座圆盘41的外侧设有2个或2个以上的纤维线轴42，纤维线轴座圆盘41的内侧设有两个以上的导向孔43；第一纤维干丝51和第二纤维干丝52穿过导向孔43，进入到树脂溶液槽13内部，树脂溶液槽13中盛放有树脂溶液6；

所述的树脂溶液槽13内部设有滚筒7，滚筒7通过滚筒支撑件9连接在树脂溶液槽13上；滚筒7中部连接有第三齿轮8，第三齿轮8通过第一同步带10和第四齿轮11连接，第四齿轮11连接在第二电机12的输出轴上；

麻花状混合连续纤维丝束穿过树脂溶液槽13中部的滚筒7，再穿过滚筒7另一侧安装的刮胶孔14后，经定型口模15定型，再经风扇16吹干，形成混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材17，混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材17缠绕在预浸料收卷轮20上，预浸料收卷轮20固定在收卷轮支撑座19上，预浸料收卷轮20端头和第五齿轮18连接，第五齿轮18通过第二同步带21和第六齿轮22连接，第六齿轮22连接在第三电机23的输出轴上。

本发明具有以下的有益效果:

(1)本发明不局限于混杂连续纤维的材料和混杂比例，利用本发明可制备任意连续纤维或者任意混杂比例的混杂纤维复合材料3D打印丝材，树脂为热固性或热塑性树脂，树脂溶液的具体种类和成分均可根据实际需要进行变化。

(2)本发明采用连续纤维进行混杂，制得的复合材料3D打印丝材可充分发挥各种纤维的优势，克服了单种材料无法满足多种性能要求的缺点，也弥补了混杂短切纤维的不足，大幅提升了成型构件的各项性能；更重要的是该3D打印丝材适用于基于分层制造原理的3D打印成型，可发挥3D打印的优势，也可以极大的普及和拓展复合材料构件的应用领域。

(3)现在用于打印连续纤维增强树脂基复合材料的3D打印机大多为1个喷头，所以本发明还适应了这些3D打印机1个喷头的特点，通过本发明制得的3D打印丝材可直接用于3D打印，不需要再修改3D打印机的结构就可打印出混杂纤维构件。

(4)本发明制得的混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材呈麻花状，虽然可通过人手工将多根纤维搓成麻花状丝束，但效率会很低，且由于无法保证人手工搓的速度每时每刻都一样，因此不能保证混杂纤维丝束每一段都是均匀和一样的，同时形成的麻花状纤维丝束会存在许多空隙，导致预浸时混杂纤维内会产生很多气泡，从而达不到好的预浸效果。而采用本发明制备混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材，多根纤维丝形成一根麻花状混杂纤维丝束的过程在树脂溶液中发生，在这过程中每根纤维都会相互挤压，产生压力，从而能增强树脂的预浸效果。当混杂纤维丝束通过旋转的滚筒时，滚筒内部产生压力也会增强树脂的预浸效果，得到的混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材具有更加优异的力学性能，能够满足更多工程领域的要求，具有极大的经济价值和发展潜力。

附图说明

图1为本发明实施例中所采用设备的正视图。

图2为本发明实施例1中纤维线轴座的立体图。

图3为本发明实施例1中纤维线轴座的正视图。

图4为图3的A-A剖视图。

图5为本发明实施例1中滚筒的剖面图。

图6为本发明实施例2中纤维线轴座的正视图。

图7为本发明实施例中麻花状混杂连续纤维复合材料3D打印丝材17示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施示例。

实施例1，参照图1、图2、图3、图4和图5，一种混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法所采用的设备，包括包括第一电机1，第一电机1输出轴上连接有第一齿轮2，第一齿轮2和第二齿轮3啮合，第二齿轮3安装在纤维线轴座4的中心轴上，所述的纤维线轴座4包括纤维线轴座圆盘41，纤维线轴座圆盘41的外侧设有2个纤维线轴42，纤维线轴座圆盘41的内侧设有两个以上的导向孔43；第一纤维干丝51和第二纤维干丝52穿过导向孔43，进入到树脂溶液槽13内部，树脂溶液槽13中盛放有树脂溶液6；

1)纤维线轴座4上有2个纤维线轴42，2个导向孔43，将碳纤维的第二纤维干丝52、玻璃纤维的第一纤维干丝51分别顺时针缠绕到纤维线轴42上，再将第二纤维干丝52和第一纤维干丝51分别穿过纤维线轴座4上的两个导向孔43，由于纤维干丝呈张紧的状态，所以纤维干丝会传递一定拉力给纤维线轴，从而对纤维线轴座4来说会形成一个顺时针方向的力矩，纤维干丝穿过导向孔43后就进入到树脂溶液槽13内部，树脂溶液槽13中盛放有热塑性树脂材料及固化剂等；

纤维线轴座4在齿轮3的带动下做顺时针方向的旋转运动，带动两根纤维干丝与纤维线轴座4相连的一端一起旋转，但纤维干丝的另一端均不旋转，因此能形成一根麻花状混合连续纤维丝束；

2)将步骤1)获得的麻花状混合连续纤维丝束穿过树脂溶液槽13中部的滚筒7，再穿过刮胶孔14，得到预浸后的麻花状混杂连续纤维丝束，其中，滚筒7内部的螺纹与混杂纤维丝束旋向相同，且滚筒7做顺时针方向旋转运动，在滚筒7旋转时，滚筒7内部会对麻花状混杂连续纤维丝束产生压力，从而增强混杂纤维丝束的预浸效果；

3)将步骤2)中得到预浸后的麻花状混杂连续纤维预浸丝束依次穿过定型口模15、风扇14，得到混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材17，再将混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材17收卷到预浸料收卷轮20上。

所述的步骤3)得到的混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材17，如图7所示，其碳纤维和玻璃纤维的比例为1:1，因此该3D打印丝材具体为碳-玻璃比为1:1的混杂连续纤维增强热塑性树脂基复合材料3D打印丝材，可将此材料直接用于现已有的连续纤维增强热塑性树脂基复合材料的3D打印。

实施例2，一种混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法，所用设备除纤维线轴座4结构不同外，其它均和实施例1相同，包括以下步骤：

1)如图1、图6所示，纤维线轴座4上有3个纤维线轴42，3个导向孔43，将2根碳纤维的第二纤维干丝52、1根玻璃纤维的第一纤维干丝51分别顺时针缠绕到纤维线轴42上，再将第二纤维干丝52和第一纤维干丝51分别穿过纤维线轴座4上的三个导向孔43，由于纤维干丝呈张紧的状态，所以纤维干丝会传递一定拉力给纤维线轴4，从而对纤维线轴座4来说会形成一个顺时针方向的力矩，纤维干丝穿过导向孔43后就进入到树脂溶液槽13内部，其中树脂溶液槽13中盛放有热固性树脂材料及高温固化剂等；

纤维线轴座4在齿轮3的带动下做顺时针方向的旋转运动，带动三根纤维干丝与纤维线轴座4相连的一端一起旋转，但纤维干丝的另一端均不旋转，因此能形成一根麻花状混合连续纤维丝束；

3)将步骤2)得到预浸后的麻花状混杂连续纤维丝束依次穿过定型口模15、风扇16，得到混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材17，再将混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材17收卷到预浸料收卷轮20上。

所述的步骤3)得到的混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材17，如图7所示，其碳纤维和玻璃纤维的比例为2:1，因此该3D打印丝材具体为碳-玻璃比为2:1的混杂连续纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印丝材，可将此材料直接用于现已有的连续纤维增强热固性树脂基复合材料的3D打印。

Claims

1.一种混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将纤维线轴上缠绕的不同干纤维丝束分别穿过纤维线轴座中心的导向孔，不同种纤维丝穿过的导向孔不同，纤维线轴座做旋转运动，带动靠近纤维线轴座一端的不同纤维干丝分别绕纤维线轴座中心旋转，因为纤维干丝的另一端不旋转，从而能形成一束麻花状混杂连续纤维丝束；

2）树脂溶液槽中部安装有一滚筒，滚筒与纤维线轴座同轴心，将步骤1）中得到的麻花状混杂连续纤维丝束穿过树脂溶液槽中的滚筒，再穿过树脂溶液槽上的刮胶孔，刮去多余的树脂，得到预浸后的麻花状混杂连续纤维丝束；

3）将步骤2）中得到预浸后的麻花状混杂连续纤维束经过定型口模定型、冷却、预浸料收卷轮收卷，最终得到混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材；

所述步骤1）中的纤维线轴座安装在树脂溶液槽的壁上，其中纤维线轴在树脂溶液槽外部，不同纤维干丝束缠绕在不同维线轴上，纤维干丝束经过纤维线轴座上的导向孔进入到树脂溶液槽内部，开始预浸；

所述步骤1）中的不同纤维干丝绕各自的线轴方向为同向，均为顺时针或逆时针，纤维干丝束穿过导向孔，并使纤维干丝处于张紧状态，则纤维干丝会向纤维线轴传递一定拉力，多根纤维干丝束传递的拉力会形成一个使纤维线轴座旋转的力矩，保证此力矩与纤维线轴座旋转方向相同，从而保证纤维干丝向外顺利拉出；

所述步骤2）中的滚筒内部具有螺纹槽，螺纹旋向与麻花状混杂纤维丝束旋向相同，滚筒上安装有齿轮，并在齿轮带动下做旋转运动，旋转方向为推动麻花状混杂纤维丝束向刮胶孔方向运动的方向，类似于螺栓和螺母，当滚筒旋转时，滚筒内部会产生压力，此压力能够改善混杂纤维的预浸效果。

2.根据权利要求1所述的一种混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法，其特征在于：所述步骤1）中的纤维线轴座具有2个或2个以上线轴，以及2个或2个以上导向孔；线轴数和导向孔数相等或不等，1根纤维收卷在1个线轴上，同种的多根纤维干丝穿过多个导向孔，或穿过1个导向孔；不同种干纤维丝穿过不同导向孔，根据需要设计不同数量的线轴和导向孔。

3.根据权利要求1所述的一种混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法，其特征在于：所述步骤1）中的纤维干丝为任意两种或两种以上的连续纤维。

4.根据权利要求1所述的一种混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法，其特征在于：所述步骤2）中的树脂溶液槽中的树脂基体为热固性或热塑性树脂基体，具体树脂成分根据需要自行确定。

5.根据权利要求1所述的一种混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材制备方法所采用的设备，其特征在于：包括第一电机（1），第一电机（1）输出轴上连接有第一齿轮（2），第一齿轮（2）和第二齿轮（3）啮合，第二齿轮（3）安装在纤维线轴座（4）的中心轴上，所述的纤维线轴座（4）包括纤维线轴座圆盘（41），纤维线轴座圆盘（41）的外侧设有2个以上的纤维线轴（42），纤维线轴座圆盘（41）的内侧设有两个以上的导向孔（43）；第一纤维干丝（51）和第二纤维干丝（52）穿过导向孔（43），进入到树脂溶液槽（13）内部，树脂溶液槽（13）中盛放有树脂溶液（6）；

所述的树脂溶液槽（13）内部设有滚筒（7），滚筒（7）内部的螺纹与混杂纤维丝束旋向相同，滚筒（7）通过滚筒支撑件（9）连接在树脂溶液槽（13）上；滚筒（7）中部连接有第三齿轮（8），第三齿轮（8）通过第一同步带（10）和第四齿轮（11）连接，第四齿轮（11）连接在第二电机（12）输出轴上；

麻花状混合连续纤维丝束穿过树脂溶液槽（13）中部的滚筒（7），再穿过滚筒（7）另一侧安装的刮胶孔（14）后，经定型口模（15）定型，再经风扇（16）吹干，形成混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材（17），混杂纤维增强树脂基复合材料3D打印丝材（17）缠绕在预浸料收卷轮（20）上，预浸料收卷轮（20）固定在收卷轮支撑座（19）上，预浸料收卷轮（20）端头和第五齿轮（18）连接，第五齿轮（18）通过第二同步带（21）和第六齿轮（22）连接，第六齿轮（22）连接在第三电机（23）的输出轴上。