CN111976141A - 单向连续碳纤维增强热塑性3d打印耗材的制备方法及装置 - Google Patents

单向连续碳纤维增强热塑性3d打印耗材的制备方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材的制备方法及装置,涉及增材制造领域,该制备方法包括以下步骤:首先通过纱架放纱和多组纤维展平装置制成一排均匀的由多根纤维组成的一排连续纤维,然后通过开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍装置将纤维与从挤出机模头中挤出的树脂进行充分的融合,形成了一排与热熔树脂有效融合后的单向连续均匀展平的纤维,然后通过集成分束装置将其收束为多根一定长度的单向纤维增强树脂体,最后经过特定的冷却定型装置以及后续的牵引履带和裁剪装置,最后制成一种规则截面、一定长度的、一定含量的单向连续炭纤维增强热塑性3D打印耗材材。

Description

单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材的制备方法及装置
技术领域
本发明涉及增材制造领域,具体而言,涉及一种单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材的制备方法及装置。
背景技术
3D打印技术成型基本原理是将3D打印耗材材热熔后层层堆积成型,通过增加耗材、逐层制造的方式,并基于三维模型数据直接制造出与其相一致的三维实体的这样一种工艺方法。
碳纤维增强热塑性3D打印耗材材与传统的纯树脂聚合物耗材相比大幅度提升了打印件的力学性能和机械物理性能,材料的某些特性能达到或超过航空铝,使得3D打印产品可用于轨道交通、军民航空等高端领域。现有3D打印耗材材多为纯树脂,如:CN105568420B“用于3D打印机细丝的热塑性树脂组合物”,由乐天化学株式会社申请的发明专利,公开的树脂材料为聚乙烯、聚丙烯等热塑性树脂,可以采用常规FDM(熔融沉积制造工艺)打印机打印。其优点为打印难度低、易成型,但缺点只能打印展示模型和没有力学性能要求的产品,应用面窄。
CN10403130B“一种用于3D打印的紫外光交联聚合物材料及其制备方法和应用”,由中科院化工研究所申请的发明专利,公开的方法为在打印的聚合物材料配方中添加紫外光交联剂,使聚合物在3D打印过程中发生交联,通过交联提高聚合物材料的耐热性和机械强度,以SLA(光固化立体造型技术)打印机打印。但是这种交联的方式对产品机械性能的提升非常有限,远远达不到铝型材或玻璃钢的性能,应用上任然受到诸多限制。并且,由于材料经过交联,回收难度增大,不利于当下环保要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材的制备方法及装置,以解决以上问题。
本发明的实施例是这样实现的:
本发明实施例的一方面,提供一种单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材的制备方法,包括如下步骤:
S1:制备由多根纤维组成的至少一排连续碳纤维;
S2:将所述连续碳纤维与热熔树脂进行充分融合以形成单向连续均匀展平的纤维;
S3:将所述单向连续均匀展平的纤维收束为多根一定长度的单向纤维增强树脂体;
S4:经冷却定型后形成具有预定规格的单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材。
可选地,所述至少一排连续碳纤维具体是通过纱架放纱和多组纤维展平装置制备。
可选地,制备所述连续碳纤维的纱束选择低丝束的碳纤维纱束。
可选地,所述低丝束的碳纤维纱束包含丝束为1K、3K或6K的碳纤维纱束。
可选地,所述的碳纤维含有0.3%-1.2%质量分数的上浆剂。
可选地,基于不同类型的热熔树脂选择对应该类型的上浆剂。
可选地,S2包括:通过开放式的连续碳纤维与热熔树脂辊压浸渍装置将纤维与从挤出机模头中挤出的树脂进行充分的融合,形成了一排与热熔树脂有效融合后的单向连续均匀展平的纤维。
可选地,按照重量份数计算,所述热熔树脂中树脂含量70-90份,增韧剂含量5-15份,其中,增韧剂为乙烯-辛烯共聚物或氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。
可选地,S3具体包括:通过集成分束装置将其收束为多根一定长度的单向纤维增强树脂体。
可选地,S4具体包括:经过预定的冷却定型装置和裁剪装置,制备具备预定截面形状、预定长度、预定质量百分比的单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材材。
本发明实施例的另一方面,还提供一种单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材的制备装置,包括:
纱架,用于放纱;
纤维展平装置,用于将所述纱架放的纱制成一排均匀的由多根纤维组成的一排连续纤维;
摩擦纤维起电装置,用于对展平后的纤维进行起电操作;
熔融树脂挤出装置,用于对所述展平后的纤维进行熔融树脂的挤出操作;
热熔树脂涂抹引导棍,用于引导所述熔融树脂挤出装置挤出的熔融树脂涂抹至所述展平后的纤维上;
浸渍单元模块,用于促使所述熔融树脂与所述展平后的纤维进行融合;
集成分束装置,用于将所述熔融树脂与所述展平后的纤维进行融合之后的纤维收束为多根预定长度的单向纤维增强树脂体;
冷却装置,用于对所述多根预定长度的单向纤维增强树脂体进行冷却定型;以及
牵引装置,用于将冷却定型后的所述多根预定长度的单向纤维增强树脂体牵引至裁剪装置以形成具有预定规格的单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材。
本发明实施例的有益效果包括:本实施例提出的一种连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材材的制备及方法,单向一定长度的纤维不需要经过挤出机,避免了纤维受损的情况,且含量不受挤出机局限性控制,有非常大的可调整空间,可以制成10%~60%的连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材材。该耗材具有高强度、高模量、韧性好、热膨胀系数小、无毒环保且可回收的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明一实施例单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材的制备装置的一结构示意图;
图2为集成分束装置的出纱侧示意图;
图3为集成分束装置的入纱侧示意图;
图4为集成分束装置的集束孔洞处的剖面视图;
图5为冷却装置的带有特定形状的两根定型辊的侧视图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外,术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂,而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平,并不是表示该结构一定要完全水平,而是可以稍微倾斜。
本实施例提供一种单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材的制备方法,包括如下步骤:
S1:制备由多根纤维组成的至少一排连续碳纤维;
S2:将所述连续碳纤维与热熔树脂进行充分融合以形成单向连续均匀展平的纤维;
S3:将所述单向连续均匀展平的纤维收束为多根一定长度的单向纤维增强树脂体;
S4:经冷却定型后形成具有预定规格的单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材。
上述步骤具体包括以下工艺措施:
通过纱架将多束纤维同步送入一组纤维展平装置,再经过烤箱完成纤维束的蓬松处理。
纤维展平装置和机械刮纱静电发生装置,完成对多束排列的连续纤维的均匀展平。
一组挤出设备模头以涂抹的方式将挤出的热熔树脂涂覆在热熔树脂涂抹引导辊辊面,形成一层厚度均匀的热熔树脂膜层。
通过热熔树脂涂抹引导辊的旋转运动,同步地将涂覆在一组热熔树脂涂抹引导辊辊面的一层厚度均匀的热熔树脂膜层涂抹在一排单向一定长度的均匀展平的纤维上。
与热熔树脂初步融合的一排单向连续均匀展平的纤维进入多级穿联的,平行交互的,开放式的连续纤维与热熔树脂辊压浸渍装置,完成热熔树脂与纤维的有效融合。
与热熔树脂有效融合后的一排单向连续均匀展平的纤维在主牵引的驱动作用下,连续通过纤维增强树脂体集成分束装置,纤维增强树脂体冷却定型装置,纤维增强树脂体牵引履带,裁切装置,制成一种规则截面、一定长度的、一定含量的单向连续炭纤维增强热塑性3D打印耗材材。
其中,碳纤维为连续碳纤维(CCF),纱束选择1K、3K、6K等低丝束的碳纤维纱束;热塑性树脂可以是PLA(聚乳酸)、PA6(尼龙单六)、PA66(尼龙双六)、PP(聚丙烯)、PC(聚碳酸酯)、PETG(聚酯)等。
碳纤维含有0.3%~1.2%质量分数的上浆剂,根据树脂种类的不同,上浆剂的种类也不同。如:尼龙、聚乳酸等热塑树脂可选用亲水性上浆剂处理;聚丙烯可选用乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯三元无规共聚物(E-MA-GMA)的甲苯溶液作为上浆剂。
热塑性树脂,其树脂自身含量70-90份,除此之外还含有增韧剂5-15份,增韧剂为乙烯-辛烯共聚物或氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物,使材料具有一定的韧性,便于材料使用;按照重量份数计算,热塑性树脂,其树脂自身含量70-90份,除此之外还含有相容剂5-10份,相容剂为马来酸酐接枝的聚丙烯(MAPP);热塑性树脂,其树脂自身含量70-90份,除此之外还含有抗氧剂0.1-1.5份;热塑性树脂,其树脂自身含量70-90份,除此之外还含有抗UV0.1-1.5份(如打印产品须在室外使用)。
本实施例提出的一种连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材材的制备及方法,单向一定长度的纤维不需要经过挤出机,避免了纤维受损的情况,且含量不受挤出机局限性控制,有非常大的可调整空间,可以制成10%~60%的连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材材。该耗材具有高强度、高模量、韧性好、热膨胀系数小、无毒环保且可回收的优点。
请结合参照图1至图5,本发明实施例的另一方面,还提供一种单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材的制备装置。该制备装置可实现上述方法的执行操作,该制备装置包括:纱架80,纤维展平装置7,摩擦纤维起电装置83,熔融树脂挤出装置84,热熔树脂涂抹引导棍85,浸渍单元模块86、87,集成分束装置1,冷却装置3,牵引装置5和裁切装置6。
纱架80用于放纱,纤维展平装置7用于将纱架80放的纱制成一排均匀的由多根纤维组成的一排连续纤维。
摩擦纤维起电装置83用于对展平后的纤维进行起电操作。
熔融树脂挤出装置84用于对展平后的纤维进行熔融树脂的挤出操作。
热熔树脂涂抹引导棍85用于引导熔融树脂挤出装置84挤出的熔融树脂涂抹至展平后的纤维上。
浸渍单元模块86、87用于促使熔融树脂与展平后的纤维进行融合。
集成分束装置1用于将熔融树脂与展平后的纤维进行融合之后的纤维收束为多根预定长度的单向纤维增强树脂体。
冷却装置3用于对多根预定长度的单向纤维增强树脂体进行冷却定型。
牵引装置5用于将冷却定型后的多根预定长度的单向纤维增强树脂体牵引至裁切装置6以形成具有预定规格的单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材。
具体地:
所述集成分束装置1上设置有若干个(1~100)的截面积不断缩小的集束孔洞11,所述的与热熔树脂有效融合后的一排单向连续均匀展平的纤维2穿过所述的集成分束装置1上的若干个集束孔洞11被分成若干份成为若干束规则截面的单向纤维增强树脂体;
所述的集成分束装置1中的集束孔洞11的与纤维束垂直的方向的集束孔洞11截面积是随着纤维的行进方向不断缩小的,其截面积最小的地方的形状决定了规则截面、定长度的单向纤维增强树脂体的截面形状。
所述的熔融状态的规则截面的单向纤维增强树脂体冷却的纤维增强树脂体冷却装3置由一组定型辊和一个冷却水槽4组成;;
所述的定型辊由上下两根特定形状的内通冷却水的辊子组成,当两根辊子对压时,辊子中间形成若干个集束孔洞11,每个集束孔洞11的截面与其对应的所述的集成分束装置1的集束孔洞11大小或界面一致,起到了将所述的规则截面的单向纤维增强树脂体的表面初步冷却并使其表面光滑的初步冷却效果;
所述的水槽4的两端设置有两个辊子,水槽4中间设置有一根或两根下表面入水的辊子,所述的初步冷却后的规则截面的单向纤维增强树脂体经过端部辊子的上方和压入水槽4中的辊子的下方,得到了充分冷却的效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:制备由多根纤维组成的至少一排连续碳纤维;
S2:将所述连续碳纤维与热熔树脂进行充分融合以形成单向连续均匀展平的纤维;
S3:将所述单向连续均匀展平的纤维收束为多根一定长度的单向纤维增强树脂体;
S4:经冷却定型后形成具有预定规格的单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述至少一排连续碳纤维具体是通过纱架放纱和多组纤维展平装置制备。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,制备所述连续碳纤维的纱束选择低丝束的碳纤维纱束。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述低丝束的碳纤维纱束包含丝束为1K、3K或6K的碳纤维纱束。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述的碳纤维含有0.3%~1.2%质量分数的上浆剂。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,基于不同类型的热熔树脂选择对应该类型的上浆剂。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,S2包括:通过开放式的连续碳纤维与热熔树脂辊压浸渍装置将纤维与从挤出机模头中挤出的树脂进行充分的融合,形成了一排与热熔树脂有效融合后的单向连续均匀展平的纤维。
8.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,按照重量份数计算,所述热熔树脂中树脂含量70-90份,增韧剂含量5-15份,其中,增韧剂为乙烯-辛烯共聚物或氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。
9.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,S3具体包括:通过集成分束装置将其收束为多根一定长度的单向纤维增强树脂体;S4具体包括:经过预定的冷却定型装置和裁剪装置,制备具备预定截面形状、预定长度、预定质量百分比的单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材材。
10.一种单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材的制备装置,其特征在于,包括:
纱架,用于放纱;
纤维展平装置,用于将所述纱架放的纱制成一排均匀的由多根纤维组成的一排连续纤维;
摩擦纤维起电装置,用于对展平后的纤维进行起电操作;
熔融树脂挤出装置,用于对所述展平后的纤维进行熔融树脂的挤出操作;
热熔树脂涂抹引导棍,用于引导所述熔融树脂挤出装置挤出的熔融树脂涂抹至所述展平后的纤维上;
浸渍单元模块,用于促使所述熔融树脂与所述展平后的纤维进行融合;
集成分束装置,用于将所述熔融树脂与所述展平后的纤维进行融合之后的纤维收束为多根预定长度的单向纤维增强树脂体;
冷却装置,用于对所述多根预定长度的单向纤维增强树脂体进行冷却定型;以及
牵引装置,用于将冷却定型后的所述多根预定长度的单向纤维增强树脂体牵引至裁剪装置以形成具有预定规格的单向连续碳纤维增强热塑性3D打印耗材。
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