CN112140533A - 一种连续纤维与颗粒基体材料复合的3d打印装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置，包括喷头、料斗、送料管和螺杆，采取中间输送连续纤维，熔融态的基体材料位于连续纤维的四周，连续纤维周围包裹熔融的基体材料对其进行浸渍，相比现有双路进丝在喷头处浸渍，大大改善了浸渍效果。本发明还提供一种连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印方法，直接利用颗粒或粉末状基体材料进行连续纤维增强打印，解决了传统丝材挤出工艺对可打印基体材料形式和种类的限制问题，扩大了纤维增强打印中基体材料的可选范围；同时无需在打印前利用拉丝机将基体材料做成丝材，简化了制造过程，降低了设备和操作成本。

Description

一种连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置及方法
技术领域
本发明涉及连续纤维增强复合材料3D打印技术领域，特别是涉及一种连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置及方法。
背景技术
复合材料是指两种及两种以上不同物质以各种工艺组合成一体的材料，其中纤维增强复合材料的应用最为广泛，即通过将纤维作为添加物引入到基体材料中以提高材料的性能。在3D打印领域中，尤其利用各类连续纤维(碳纤维、玻璃纤维、天然纤维等)的性能优势，达到增强聚合物材料(聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、环氧树脂等)性能的目的，如可以获得质量轻、比强度高、比刚度高以及热稳定性好等所需特性。目前，相关研究已经获得国内外越来越多学者的重视，其可行性和效果得到了初步验证，相关研究有助于推动3D打印技术在航空航天、汽车、医疗等更多高端领域的应用。
连续纤维增强复合材料3D打印通常基于FDM工艺，通过加热丝状基体材料使其在打印头处浸渍连续纤维并共同挤出，最后通过层层叠加的方式制造工件。与传统注塑成型相比，该技术无需模具，故其成本低，同时能够制造形状结构更为复杂的工件。
然而，目前常用的连续纤维增强复合材料3D打印技术采用双路进丝喷头处浸渍打印方法，即将连续纤维和基体材料丝材送入喷头，基体材料在喷头内部加热作用下熔融浸渍纤维，最终与连续纤维共同挤出，该方法主要存在以下问题：1.现有方法由于是通过单侧送进基体材料丝材，会造成基体材料无法充分均匀包覆于连续纤维，从而造成打印件内部易出现孔洞及纤维间粘接程度不均衡的问题，使其机械强度的提升受到影响；2.现有方法是在喷头处将聚合物材料浸渍连续纤维，浸渍时间短，基体材料难以充分渗透进纤维束内部，使得部分单根纤维间粘合效果差，进而影响打印件的机械强度，甚至造成失效；3.常用方法由于挤出压力小，无法顺利挤出高粘度的熔融态聚合物，使得纤维增强打印中高粘度聚合物作为基体材料的应用受限；4.由于很多聚合物材料多为颗粒状或粉末状，而常用方法要求使用丝状材料，即丝材的制备不可或缺，不仅造成过程繁琐、制造成本高，而且部分聚合物材料又很难甚至无法制备成可用于打印的丝材，可用材料种类的受限进一步影响了打印件的应用范围。
因此，如何改变现有技术中丝状基体材料与连续纤维复合成形效果不佳的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高了连续纤维与颗粒基体材料的接触均匀度，提高了打印成形质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置，包括支撑单元、驱动单元、移动单元、送料单元、温控单元和挤出单元，所述支撑单元包括机架和支撑板，所述送料单元、所述温控单元和所述挤出单元均设置于所述支撑板上，所述支撑板可滑动地与所述机架相连，所述移动单元与所述支撑板相连，所述移动单元能够带动所述支撑板运动，所述驱动单元与所述挤出单元相连，所述驱动单元能够带动所述送料单元、所述挤出单元工作，所述温控单元能够控制所述送料单元和所述挤出单元内的温度，所述送料单元与所述挤出单元相连通；
所述送料单元包括料斗、送料管、螺杆和送丝元件，所述挤出单元包括喷头，所述料斗与所述支撑板相连，所述料斗内能够容纳颗粒基体材料，所述送料管与所述料斗相连通，所述螺杆位于所述送料管内，所述螺杆为中空结构，所述螺杆内部能够容纳连续纤维，所述送丝元件能够向所述螺杆内输送连续纤维，所述喷头与所述送料管相连通，所述驱动单元能够带动所述螺杆转动，所述喷头、送料管的连通处与所述螺杆的出口之间具有间隙。
优选地，所述螺杆为等距不等深的渐变型螺杆，所述螺杆的顶部连接有输纤管，所述输纤管的内腔与所述螺杆的内腔相连通，所述送丝元件设置于所述输纤管的顶部，所述送丝元件为双轮送丝结构，所述输纤管与所述驱动单元传动相连，所述输纤管利用联轴器与所述螺杆相连。
优选地，所述输纤管与所述送丝元件之间还设置剪断机构，所述剪断机构能够剪断连续纤维，所述剪断机构包括底座、刀片、垫片和座盖，所述底座与所述座盖可拆卸连接，所述刀片和所述垫片设置于所述底座、所述座盖围成的空间内，所述底座、所述刀片、所述垫片和所述座盖均具有能够允许连续纤维通过的通孔，所述底座的通孔与所述刀片的通孔处均设置刃口，所述刀片可转动地设置于所述底座和所述座盖内。
优选地，所述喷头的顶部具有倒圆台状的挤出槽，所述挤出槽与所述送料管的内腔相连通。
优选地，所述温控单元包括加热棒、热电偶、散热块和加热块，所述加热棒、所述热电偶均与所述加热块相连，所述加热块设置于所述送料管的外部，所述所述散热块固定于所述料斗上，所述加热块的顶部与所述送料管之间设置隔热片和散热套筒，所述隔热片和所述散热套筒均套装于所述送料管的外部，所述散热套筒与所述加热块的顶部相抵接。
优选地，所述加热块上设置有限位块，所述散热套筒具有与所述限位块相匹配的限位槽，所述限位块与所述限位槽插接；所述散热套筒内部设置螺旋流道，所述螺旋流道能够与外部冷却介质相连通。
优选地，所述移动单元包括滑块和光轴，所述滑块与所述支撑板相连，所述驱动单元通过齿轮齿条与所述滑块传动相连，所述光轴还与Z轴丝杠传动相连，所述Z轴丝杠能够带动所述光轴沿竖直方向往复运动；所述机架包括工作台和框架，所述工作台位于所述喷头的底部，所述工作台利用X轴丝杠可滑动地设置于所述框架上，所述X轴丝杠、所述光轴、所述Z轴丝杠两两相垂直。
本发明还提供一种连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印方法，利用上述的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置，包括如下步骤：
步骤一、温控单元加热至温度高于基体材料的熔融温度20-40℃；
步骤二、连续纤维经由螺杆内部到达喷头处，当连续纤维顶端到达喷头出口位置时停止输送；根据打印工件的体积计算基体体材料的体积，将颗粒基体材料放入料斗；
步骤三、驱动单元驱动螺杆转动将颗粒基体材料沿送料管向喷头方向输送，在温控单元的持续加热作用下，将颗粒基体材料由固态转变为熔融态，在螺杆底部浸渍连续纤维；
步骤四、连续输送连续纤维，在螺杆的作用下，熔融态的基体材料均匀包裹或充分浸渍连续纤维，在喷头处共同挤出形成连续纤维增强复合丝，连续纤维增强复合丝按照打印路径打印成形工件；
步骤五、当打印过程还剩一个差值长度即可完成一个连续打印路径时，此处差值长度指连续纤维剪断处与打印处的垂直高度，剪断连续纤维，判断当前打印路径是否为最后一个连续路径，如果是最后一个连续路径，则连续纤维的差值长度完成打印后停机；如果不是最后一个连续路径，则等到连续纤维的差值长度完成打印后，移动喷头至下一连续路径的起点，重复进行步骤二开始下一连续路径的打印。
优选地，连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、亚麻纤维或涤纶纤维；颗粒基体材料为聚醚醚酮、聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯或环氧树脂，颗粒大小范围为10-45目。
优选地，步骤四中，连续纤维增强复合丝的纤维含量为20～60wt％。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置，包括喷头、料斗、送料管和螺杆，料斗能够容纳颗粒基体材料，料斗与送料管相连通，螺杆位于送料管内，喷头位于送料管的底部，喷头、送料管的连通处与螺杆的出口之间具有间隙。连续纤维由螺杆的内腔进入进料管，温控单元能够对进入送料管的颗粒基体材料加热为熔融状态，螺杆转动能够输送基体材料，同时对基体材料进行搅拌，使得基体材料间充分均匀接触，减少了基体材料由于混合不均匀或输送不连贯造成的孔洞缺陷，本发明采取中间输送连续纤维，熔融态的基体材料位于连续纤维的四周，连续纤维周围包裹熔融的基体材料对其进行浸渍，相比现有双路进丝在喷头处浸渍，大大改善了浸渍效果。本发明还提供一种连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印方法，直接利用颗粒或粉末状基体材料进行连续纤维增强打印，解决了传统丝材挤出工艺对可打印基体材料形式和种类的限制问题，扩大了纤维增强打印中基体材料的可选范围；同时无需在打印前利用拉丝机将基体材料做成丝材，简化了制造过程，降低了设备和操作成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印方法的工作流程图；
图2为本发明的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置的结构示意图；
图3为本发明的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置的部分结构的剖切示意图；
图4为本发明的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印方法的剪断实施原理图；
图5为本发明的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置的剪断机构的爆炸示意图；
其中，1为机架，2为支撑板，3为料斗，4为送料管，5为螺杆，6为送丝元件，7为喷头，8为输纤管，9为联轴器，10为底座，11为刀片，12为垫片，13为座盖，14为挤出槽，15为加热棒，16为热电偶，17为散热块，18为隔热片，19为隔热套筒，20为限位块，21为滑块，22为光轴，23为Z轴丝杠，24为X轴丝杠，25为加热块。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明的目的是提供一种连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高了连续纤维与颗粒基体材料的接触均匀度，提高了打印成形质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-5，其中，图1为本发明的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印方法的工作流程图，图2为本发明的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置的结构示意图，图3为本发明的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置的部分结构的剖切示意图，图4为本发明的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印方法的剪断实施原理图，图5为本发明的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置的剪断机构的爆炸示意图。
本发明提供一种连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置，包括支撑单元、驱动单元、移动单元、送料单元、温控单元和挤出单元，支撑单元包括机架1和支撑板2，送料单元、温控单元和挤出单元均设置于支撑板2上，支撑板2可滑动地与机架1相连，移动单元与支撑板2相连，移动单元能够带动支撑板2运动，驱动单元与挤出单元相连，驱动单元能够带动送料单元、挤出单元工作，温控单元能够控制送料单元和挤出单元内的温度，送料单元与挤出单元相连通。
送料单元包括料斗3、送料管4、螺杆5和送丝元件6，挤出单元包括喷头7，料斗3与支撑板2相连，料斗3内能够容纳颗粒基体材料，送料管4与料斗3相连通，螺杆5位于送料管4内，螺杆5为中空结构，螺杆5内部能够容纳连续纤维，送丝元件6能够向螺杆5内输送连续纤维，喷头7与送料管4相连通，驱动单元能够带动螺杆5转动，喷头7、送料管4的连通处与螺杆5的出口之间具有间隙。
本发明的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置，包括喷头7、料斗3、送料管4和螺杆5，料斗3能够容纳颗粒基体材料，料斗3与送料管4相连通，螺杆5位于送料管4内，喷头7位于送料管4的底部，喷头7、送料管4的连通处与螺杆5的出口之间具有间隙。连续纤维由螺杆5的内腔进入进料管，温控单元能够对进入送料管4的颗粒基体材料加热为熔融状态，螺杆5转动能够输送基体材料，同时对基体材料进行搅拌，使得基体材料间充分均匀接触，减少了基体材料由于混合不均匀或输送不连贯造成的孔洞缺陷，本发明采取中间输送连续纤维，熔融态的基体材料位于连续纤维的四周，连续纤维周围包裹熔融的基体材料对其进行浸渍，相比现有双路进丝在喷头7处浸渍，大大改善了浸渍效果。
其中，螺杆5为等距不等深的渐变型螺杆，对于高粘度的基体材料仍然具有较强的输送作用，该类螺杆5压力稳定、料流稳定，螺杆5转速范围为5～25r/min。纤维输送速度v1(mm/s)、螺杆5转速v2(r/min)、单位时间基体材料送料量G(mm3/s)以及复合纤维丝含量Vf(纤维在复合纤维丝中的质量体积分数，wt％)间满足以下关系式：
G＝v2δ+ε
单位时间基体材料送料量G为螺杆5送料流量，可通过挤出成型工艺中等距不等深螺杆挤出量的计算公式得到，上式为将计算公式中的非螺杆转速影响参数整合后的公式，其中δ、ε的取值取决于料流粘度、螺杆5尺寸参数以及螺杆5挤出压力；
Figure BDA0002683868730000071
其中，Sf为纤维截面面积，mm2；ρf为纤维质量密度，g/mm3；ρm为基体材料的质量密度，g/mm3。
另外，螺杆5的顶部连接有输纤管8，输纤管8的内腔与螺杆5的内腔相连通，送丝元件6设置于输纤管8的顶部，送丝元件6为双轮送丝结构，输纤管8与驱动单元传动相连，输纤管8利用联轴器9与螺杆5相连。送丝元件6将连续纤维输送至输纤管8内，进而进入螺杆5内腔，输纤管8与驱动单元传动相连，输纤管8继而带动螺杆5转动，在本具体实施方式中，驱动单元通过带式传输机构与输纤管8传动相连。
具体地，输纤管8与送丝元件6之间还设置剪断机构，剪断机构能够剪断连续纤维，为3D打印装置提供便利，剪断机构包括底座10、刀片11、垫片12和座盖13，底座10与座盖13可拆卸连接，刀片11和垫片12设置于底座10、座盖13围成的空间内，底座10、刀片11、垫片12和座盖13均具有能够允许连续纤维通过的通孔，通孔正对输纤管8设置，底座10的通孔与刀片11的通孔处均设置刃口，刀片11可转动地设置于底座10和座盖13内，当需要剪断连续纤维时，转动刀片11，底座10的刃口与刀片11的刃口发生相对转动，从而切断连续纤维。在本具体实施方式中，液压油进入底座10的开孔，作用在刀片11的两个端面上，通过控制两个端面的液压油的压力差，控制刀片11旋转，相比较现有齿轮驱动的剪断机构体积小，且采用液压驱动，能够提供较大的剪短力，从而实现较大抗剪强度的连续纤维的剪断。
还需要强调的是，喷头7的顶部具有倒圆台状的挤出槽14，挤出槽14直径较大一端与送料管4的内腔相连通，挤出槽14用于引导熔融的基体材料流动，熔融基体材料可在挤出槽14处浸渍纤维，为基体材料提供更加充足的时间渗透进入纤维间隙，进一步延长基体材料浸渍连续纤维的时间，避免了由于基体材料流动不稳定导致空气进入形成孔洞的情况；连续纤维与基体材料的复合丝由喷头7挤出，并打印成形工件。
更具体地，温控单元包括加热棒15、热电偶16、散热块17和加热块25，加热棒15、热电偶16均与加热块25相连，加热块25设置于送料管4的外部，加热块25与送料管4螺纹连接，拆装方便，散热块17固定于料斗3上，具体设置于料斗3的下边缘，加热块25的顶部与送料管4之间设置隔热片18和散热套筒19，隔热片18和散热套筒19均套装于送料管4的外部，散热套筒19与加热块25的顶部相抵接。
为了限制散热套筒19沿中心轴的旋转，加热块25上设置有限位块20，散热套筒19具有与限位块20相匹配的限位槽，限位块20与限位槽插接；散热套筒19内部设置螺旋流道，螺旋流道能够与外部冷却介质相连通，冷却介质沿螺旋流道流通实现散热功能。
在本具体实施方式中，移动单元包括滑块21和光轴22，滑块21与支撑板2相连，驱动单元通过齿轮齿条与滑块21传动相连，光轴22还与Z轴丝杠23传动相连，Z轴丝杠23能够带动光轴22沿竖直方向往复运动；机架1包括工作台和框架，工作台位于喷头7的底部，工作台利用X轴丝杠24可滑动地设置于框架上，X轴丝杠24、光轴22、Z轴丝杠23两两相垂直，移动单元与机架1相配合能够实现喷头7在空间内移动调整位置，完成打印工作，在本发明的其他具体实施方式中，还可以采用其他传动机构实现移动单元调整位置的目的。
本发明还提供一种连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印方法，利用上述的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置，包括如下步骤：
步骤一、温控单元加热至温度高于基体材料的熔融温度20-40℃。
步骤二、连续纤维经由螺杆5内部到达喷头7处，当连续纤维顶端到达喷头7出口位置时停止输送；根据打印工件的体积计算基体体材料的体积，将颗粒基体材料放入料斗3。
忽略颗粒间的微小间隙，则理论上基体材料送料批次和补料周期的计算公式如下：
Vm＝V-Vr
Vm＝(v2δ+ε)t
Figure BDA0002683868730000091
Figure BDA0002683868730000092
其中，V、Vr、Vm分别为打印工件总体积、工件中连续纤维体积、工件中基体材料总体积，mm3；v2为螺杆5转速，r/min；δ、ε为整合参数，取决于料流粘度、螺杆5尺寸参数以及螺杆5挤出压力；t为打印总时间，s；n为送料批次；Vh为料斗3容积，mm3；T为补料周期，s。工件模型的总体积V，利用连续纤维截面积乘以纤维长度得到连续纤维体积Vr，通过上述公式获得所需基体材料总体积Vm，利用所需基体材料总体积Vm除以送料流量G得到打印总时间，由上述公式可知送料流量G可由螺杆5转速V2计算获得；利用所需基体材料总体积Vm除以料斗3容积Vh得到所需的送料批次n；利用得到的打印总时间t除以送料批次n得到补料周期T。
步骤三、驱动单元驱动螺杆5转动将颗粒基体材料沿送料管4向喷头7方向输送，在温控单元的持续加热作用下，将颗粒基体材料由固态转变为熔融态，在螺杆5底部浸渍连续纤维。
步骤四、连续输送连续纤维，在螺杆5的作用下，熔融态的基体材料均匀包裹或充分浸渍连续纤维，在喷头7处共同挤出形成连续纤维增强复合丝，连续纤维增强复合丝按照打印路径打印成形工件，连续纤维输送速度为2-10mm/s，该输送速度等于打印速度。
步骤五、当打印过程还剩一个差值长度即可完成一个连续打印路径时，此处差值长度指连续纤维剪断处与打印处的垂直高度，剪断连续纤维，判断当前打印路径是否为最后一个连续路径，如果是最后一个连续路径，则连续纤维的差值长度完成打印后停机；如果不是最后一个连续路径，则等到连续纤维的差值长度完成打印后，移动喷头7至下一连续路径的起点，重复进行步骤二开始下一连续路径的打印。
连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、亚麻纤维或涤纶纤维；颗粒基体材料为聚醚醚酮、聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯或环氧树脂，颗粒大小范围为10-45目。
步骤四中，连续纤维增强复合丝的纤维含量为20～60wt％。
下面通过具体的实施例，对本发明的本发明的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印方法，作进一步地解释说明。
实施例1
本实施例中，连续纤维为连续碳纤维(T300B-1000-50C，1000根，纤维束直径0.5mm，单根碳纤直径8μm)；颗粒基体材料为聚乳酸(PLA，熔点170℃，颗粒目数为15目)。
本发明的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印方法，具体包括以下步骤：
S1预处理：将加热块25加热至210℃，同时打开水泵开关，水循环液由外部水箱提供并循环地流过散热套筒19内部设置的螺旋流道，用于带走热量，实现冷却散热功能；
S2送料：启动送丝元件6(纤维输送速度为10mm/s)将连续碳纤维从输纤管8送入，经由螺杆5到达喷头7，当纤维顶端恰好到达喷头7出口位置(位置偏差的绝对值应小于2mm)后停止送入；根据公式计算获得的送料批次n和补料周期T分批次周期地向料斗3中送入颗粒聚乳酸：根据纤维增强打印工件的总体积V计算所需基体材料体积Vm，并根据螺杆5转速v2和料斗3容积Vh计算所需基体材料的送料批次n以及补料周期T，首先将第一批颗粒聚乳酸放入料斗3，颗粒聚乳酸沿料斗3的楔形面送至螺杆5，在打印过程中按照计算所得的补料周期T定时补充基体材料；
S3浸渍：驱动螺杆5(转速为15r/min)将颗粒聚乳酸沿着送料管4向喷头7传送，在加热块25的持续加热作用下颗粒聚乳酸由固态转变为熔融态，最终到达螺杆5底部浸渍连续碳纤维；
S4挤出：启动送丝元件6连续运动进给连续碳纤维，在与螺杆5的共同作用下，熔融态聚乳酸材料均匀包裹或充分浸渍于连续碳纤，最终在喷头7处共同挤出形成连续碳纤增强复合丝(复合丝的纤维含量为48wt％)，该复合丝按照打印路径在机架1上打印成形工件；
S5剪断：通过G代码控制剪断机构在打印过程中剪断连续纤维，实现单次打印过程中多个连续路径的打印，在打印完最后一个连续路径后停机。具体为，当打印过程中还剩一个差值长度(差值长度为纤维剪断点与打印处的垂直高度)就能完成一个完整连续打印路径时，控制剪断机构剪断纤维，同时停止送丝元件6送丝，并判断当前打印路径是否为最后一个连续路径(具体判断方法：通过查看打印机当前未执行G代码行内是否还有打印复合丝的代码行，若无，则为最后一个连续路径)，若是最后一个连续路径，则等到连续纤维的差值长度段完成打印后停机(打印差值长度段的纤维拉出依靠的是机架1对纤维的牵引力)；若不是最后一个连续路径，则等到连续纤维当前连续路径的差值长度段完成打印后，移动喷头7至下一连续路径起点，返回步骤S2送料开始下一连续路径的打印。
具体地，如图4所示，工件一需要单个连续路径才能完成打印，而工件二需要两个连续路径才能完成打印。设差值长度为L，喷头7在连续碳纤剪断后移动了△L的距离，对于工件一，是单个连续路径(初始起点为K1)，则等连续碳纤的剩余差值长度段L-△L完成打印路径A后停机；对于工件二，是两个连续路径(路径分别为B1、B2，初始起点为P1)，则等到连续碳纤的剩余差值长度段L-△L完成打印路径B1后，移动喷头7至连续路径B2的起点P2，返回S2进料步骤开始连续路径B2的打印。
实施例2
本实施例中，连续纤维为连续亚麻纤维(200tex，纤维束直径0.5mm，单根纤维直径15μm)；基体材料为环氧树脂，粉末状，颗粒大小为125目，熔点为65℃，掺杂2.5％的碳纳米管(CNTs，型号XFM-18)作为增强填料(碳纳米管因其较高的比表面积和长径比，保证了基体材料的应力传递，进一步提高复合材料的强度、韧性)，基体材料的熔融态为高粘度流体。相比于热塑性材料，热固性材料在打印完成后还需进行后固化，因此需要在环氧树脂中添加固化剂。本实施例采用高温固化剂，高温固化剂固化物性能优良，固化速度快，可操作性强，固化过程分为两个阶段，第一阶段预固化在较低温度使基体材料达到凝胶状态，第二阶段为高温加热，实现后固化。综合考虑固化物交联密度的均匀性以及环氧树脂的打印成型效果，在环氧树脂中添加了咪唑基离子液潜伏型固化剂(Basionics VS03型，固化温度为110℃)。
本实施例相比实施例1除使用的纤维和基体材料不同外，还主要区别于：
(1)S1预处理步骤中，将加热块25加热至70℃；环氧树脂在该较低的温度下表现为凝胶态，即适用于挤出打印成型的粘度特性，粘度大小为10Pa·s；
(2)S2送料步骤中，纤维的送料速度为5mm/s；由于环氧树脂相比于聚乳酸在熔融态粘度较高，在相同螺杆5转速下环氧树脂的挤出速度较慢，因此通过降低纤维送料速度，保证挤出过程中环氧树脂有充足时间均匀包裹纤维，从而提高打印成型效果；
(3)S3浸渍步骤中，基于颗粒环氧树脂的颗粒大小和熔融态的流变性能，螺杆5转速设为10r/min，以保证基体材料能够顺利挤出；
(4)S4挤出步骤中获得的连续亚麻纤维增强复合丝的纤维含量为64.5wt％；
(5)在S5剪断步骤完成停机后，取下打印成型的工件，送入烘箱(烘箱温度为120℃)加热固化24h，然后取出固化后的工件，冷却至室温(25℃)，得到固化后的工件。
其余同实施例1。
相比于实施例1，本实施例采用环氧树脂作为基体材料，需要对打印后的工件进一步固化，固化能够进一步增强打印工件的强度，同时提高工件的热稳定性和耐性，尤其适用于高性能制件制造领域，采用连续亚麻纤维作为增强材料，环保且利于回收，另外，由于亚麻来源广泛，大大降低了打印材料成本。
实施例3
本实施例中，连续纤维为连续碳纤维(T300B-1000-50C，1000根，纤维束直径0.5mm，单根碳纤直径8μm)，颗粒基体材料为聚醚醚酮(PEEK，熔点343℃，颗粒目数为15目)
本实施例与实施例1区别主要在于：
(1)S1预处理步骤中，将加热块25加热至370℃。
(2)由于熔融态PEEK的流动性相比于实施例1中使用的PLA更差，更不易在螺杆5输送作用下挤出，在与实施例1相同的纤维输送速度下，S4挤出步骤中获得的复合丝的纤维含量为60wt％；
其余同实施例1。
相比于实施例1，本实施例采用PEEK作为基体材料，不同于PLA，PEEK是一种显著的生物降解材料，且强度与人体骨骼近似，可应用于骨植入物，因此，本实施例可打印碳纤维增强的用于骨植入物的骨骼替代材料，扩展了本发明方法的使用范围和应用领域，同时，本实施例采用连续碳纤维作为增强材料，而使用本发明涉及的剪断机构能够剪断抗剪强度大的连续碳纤维。
本发明可以直接利用颗粒基体材料进行连续纤维增强打印，扩大了纤维增强打印中基体材料的可选范围，采用等距不等深的渐变型螺杆，可打印高粘度的基体材料，且送料平稳，基体材料接触均匀，采用带有挤出槽14的喷头7，浸渍时间较长，减少了打印工件的内部孔洞，制造过程简单且成本低。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置，其特征在于：包括支撑单元、驱动单元、移动单元、送料单元、温控单元和挤出单元，所述支撑单元包括机架和支撑板，所述送料单元、所述温控单元和所述挤出单元均设置于所述支撑板上，所述支撑板可滑动地与所述机架相连，所述移动单元与所述支撑板相连，所述移动单元能够带动所述支撑板运动，所述驱动单元与所述挤出单元相连，所述驱动单元能够带动所述送料单元、所述挤出单元工作，所述温控单元能够控制所述送料单元和所述挤出单元内的温度，所述送料单元与所述挤出单元相连通；
所述送料单元包括料斗、送料管、螺杆和送丝元件，所述挤出单元包括喷头，所述料斗与所述支撑板相连，所述料斗内能够容纳颗粒基体材料，所述送料管与所述料斗相连通，所述螺杆位于所述送料管内，所述螺杆为中空结构，所述螺杆内部能够容纳连续纤维，所述送丝元件能够向所述螺杆内输送连续纤维，所述喷头与所述送料管相连通，所述驱动单元能够带动所述螺杆转动，所述喷头、送料管的连通处与所述螺杆的出口之间具有间隙。
2.根据权利要求1所述的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置，其特征在于：所述螺杆为等距不等深的渐变型螺杆，所述螺杆的顶部连接有输纤管，所述输纤管的内腔与所述螺杆的内腔相连通，所述送丝元件设置于所述输纤管的顶部，所述送丝元件为双轮送丝结构，所述输纤管与所述驱动单元传动相连，所述输纤管利用联轴器与所述螺杆相连。
3.根据权利要求2所述的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置，其特征在于：所述输纤管与所述送丝元件之间还设置剪断机构，所述剪断机构能够剪断连续纤维，所述剪断机构包括底座、刀片、垫片和座盖，所述底座与所述座盖可拆卸连接，所述刀片和所述垫片设置于所述底座、所述座盖围成的空间内，所述底座、所述刀片、所述垫片和所述座盖均具有能够允许连续纤维通过的通孔，所述底座的通孔与所述刀片的通孔处均设置刃口，所述刀片可转动地设置于所述底座和所述座盖内。
4.根据权利要求1所述的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置，其特征在于：所述喷头的顶部具有倒圆台状的挤出槽，所述挤出槽与所述送料管的内腔相连通。
5.根据权利要求1所述的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置，其特征在于：所述温控单元包括加热棒、热电偶、散热块和加热块，所述加热棒、所述热电偶均与所述加热块相连，所述加热块设置于所述送料管的外部，所述所述散热块固定于所述料斗上，所述加热块的顶部与所述送料管之间设置隔热片和散热套筒，所述隔热片和所述散热套筒均套装于所述送料管的外部，所述散热套筒与所述加热块的顶部相抵接。
6.根据权利要求5所述的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置，其特征在于：所述加热块上设置有限位块，所述散热套筒具有与所述限位块相匹配的限位槽，所述限位块与所述限位槽插接；所述散热套筒内部设置螺旋流道，所述螺旋流道能够与外部冷却介质相连通。
7.根据权利要求1所述的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置，其特征在于：所述移动单元包括滑块和光轴，所述滑块与所述支撑板相连，所述驱动单元通过齿轮齿条与所述滑块传动相连，所述光轴还与Z轴丝杠传动相连，所述Z轴丝杠能够带动所述光轴沿竖直方向往复运动；所述机架包括工作台和框架，所述工作台位于所述喷头的底部，所述工作台利用X轴丝杠可滑动地设置于所述框架上，所述X轴丝杠、所述光轴、所述Z轴丝杠两两相垂直。
8.一种连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印方法，利用权利要求1-7任一项所述的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、温控单元加热至温度高于基体材料的熔融温度20-40℃；
步骤二、连续纤维经由螺杆内部到达喷头处，当连续纤维顶端到达喷头出口位置时停止输送；根据打印工件的体积计算基体体材料的体积，将颗粒基体材料放入料斗；
步骤三、驱动单元驱动螺杆转动将颗粒基体材料沿送料管向喷头方向输送，在温控单元的持续加热作用下，将颗粒基体材料由固态转变为熔融态，在螺杆底部浸渍连续纤维；
步骤四、连续输送连续纤维，在螺杆的作用下，熔融态的基体材料均匀包裹或充分浸渍连续纤维，在喷头处共同挤出形成连续纤维增强复合丝，连续纤维增强复合丝按照打印路径打印成形工件；
步骤五、当打印过程还剩一个差值长度即可完成一个连续打印路径时，此处差值长度指连续纤维剪断处与打印处的垂直高度，剪断连续纤维，判断当前打印路径是否为最后一个连续路径，如果是最后一个连续路径，则连续纤维的差值长度完成打印后停机；如果不是最后一个连续路径，则等到连续纤维的差值长度完成打印后，移动喷头至下一连续路径的起点，重复进行步骤二开始下一连续路径的打印。
9.根据权利要求8所述的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印方法，其特征在于：连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、亚麻纤维或涤纶纤维；颗粒基体材料为聚醚醚酮、聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯或环氧树脂，颗粒大小范围为10-45目。
10.根据权利要求8所述的连续纤维与颗粒基体材料复合的3D打印方法，其特征在于：步骤四中，连续纤维增强复合丝的纤维含量为20～60wt％。
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