CN112497732B - 基于连续纤维增强树脂基预浸料的空间桁架3d打印方法 - Google Patents

基于连续纤维增强树脂基预浸料的空间桁架3d打印方法 Download PDF

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Abstract

基于连续纤维增强树脂基预浸料的空间桁架3D打印方法，涉及一种基于连续纤维增强树脂基预浸料的3D打印方法。解决了现有3D打印的预浸料存在树脂与纤维单位长度有效接触面积太小，粘接性能不佳、纤维排布不均匀、纤维含量不高、打印预浸料刚度较差的问题。本发明先制备连续纤维增强树脂基预浸料；将制备的预浸料和树脂线材分别置于3D打印机的预浸料原料筒和树脂原料筒；将预浸料线材与树脂线材分别送入3D打印挤出喷头中；控制加热棒预热，3D打印机按照目标空间桁架的3D打印轨迹生成G代码；驱动3D打印机执行G代码，在施加外界刺激的条件下，在打印基板上进行原料的堆积打印，完成基于纤维增强树脂基预浸料的空间桁架3D打印。本发明适用于3D打印技术领域。

Description

基于连续纤维增强树脂基预浸料的空间桁架3D打印方法
技术领域
本发明涉及一种基于连续纤维增强树脂基预浸料的3D打印方法。
背景技术
连续纤维增强树脂基复合材料具有其优异的比刚度和比强度，在航空航天等领域起着重要的作用。预浸料作为连续纤维增强树脂基复合材料制件的制造中间材料，被普遍应用于缠绕、自动铺放以及3D打印等工艺方法中，其中预浸料中纤维与树脂的浸润效果、纤维体积含量、纤维的排布方式等因素对预浸料的力学性能具有较大影响。
3D打印作为新兴的复合材料增材制造方式，其优异的制造灵活性与高效的制造效率相比于传统的复合材料制造方法展现出了巨大的潜力，但是专用于3D打印的连续纤维预浸料研究尚处于起步阶段，现今使用连续纤维预浸料的3D打印实验制件在性能测试实验中常展现出纤维与树脂脱粘、纤维断裂长度不齐等材料失效现象，同时难以实现空间立体结构的直接打印，这集中反映了打印预浸料的树脂与纤维单位长度有效接触面积太小，粘接性能不佳、纤维排布不均匀、预浸料纤维含量不高、打印预浸料刚度较差等问题，这大大限制了3D打印这一制造方法的发展。
发明内容
本发明目的是为了解决现有3D打印的预浸料存在树脂与纤维单位长度有效接触面积太小，粘接性能不佳、纤维排布不均匀、纤维含量不高、打印预浸料刚度较差的问题，提出了一种基于增强树脂基预浸料的空间桁架3D打印方法。
本发明所述基于连续纤维增强树脂基预浸料的空间桁架3D打印方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、制备连续纤维增强树脂基预浸料；
步骤一一、将2n个纤维线材卷以树脂线材卷为中心等间隔呈圆周排列，以树脂线材卷为中心相对设置的维线材卷按照顺时针的顺序循环对调编织；其中n大于或等于2；
步骤一二、经步骤一一编织后的纤维线材和树脂线材经三维编织合纱器合成一路丝束；
步骤一三、采用牵引导向辊为丝束提供拉力，采用张力控制辊使丝束保持张紧状态进入改性溶液熔池，使丝束以0.1m/min的速度经过改性溶液熔池，获取树脂溶解在纤维内的丝束；
步骤一四、采用挤压辊对经过改性溶液熔池的丝束进行挤压，然后利用线圈加热器对挤压后的丝束加热，对丝束内的树脂进行加热软化；
步骤一五、采用挤压成型辊对加热软化后的丝束挤压成型，采用风力烘干箱对成型的丝束烘干，完成预浸料的制备；
步骤二、将步骤一制备的预浸料和树脂线材分别置于3D打印机的预浸料原料筒和树脂原料筒；将预浸料线材与树脂线材分别送入3D打印挤出喷头中；
步骤三、控制加热棒预热，3D打印机按照目标空间桁架的3D打印轨迹生成G代码；
步骤四、驱动3D打印机执行G代码，在施加外界刺激的条件下，在打印基板上进行原料的堆积打印，完成基于纤维增强树脂基预浸料的空间桁架3D打印。
进一步地，步骤一中所述制备连续纤维增强树脂基预浸料还包括：
步骤一六、采用收纱辊对烘干后的丝束收卷。
进一步地、步骤一一中所述纤维线材卷的纤维线为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、凯夫拉纤维、聚酰亚胺纤维、纱、带、布、毡中的一种或者多种的混合。
进一步地，步骤一一中所述树脂线材卷的树脂线为PE-聚乙烯类、PP-聚丙烯类、PVC-聚氯乙烯类、PS-聚苯乙烯类、PA-聚酰胺类、POM-聚甲醛类、PC-聚碳酸酯类、聚苯醚类、聚砜类等聚合物中的一种或多种任意混合。
进一步地，步骤一三中所述改性溶液熔池中的改性溶液为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N,N-二甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、二恶烷、丙酮、二甲基亚砜、三氯乙烯、二氯甲烷、二氯乙烷、氯仿中的一种或任意多种混合。
进一步地，步骤一一中所述的2n个纤维线材卷的个数为6。
进一步地，步骤四中所述的外界刺激的条件包括紫外线照射、激光照射、脉冲氙灯照射、热风、冷风快速固化中一种或任意多种混合。
本发明利用编织方法将连续纤维与树脂线材混合编织合成丝束，再将合成丝束通过纤维改性溶液，通过高温加热线圈熔化合成丝束中的树脂，使其与纤维充分接触混合，经过挤压成型后，冷却烘干收丝制成3D打印用连续纤维增强树脂基复合材料预浸料，而后通过将制备的编织预浸料和线材树脂同时送入3D打印喷头，驱动打印机运动到设计的轨迹，同时及时固化预浸料，完成对空间桁架结构的3D打印。该方法通过纤维与树脂混合编织增加单位长度预浸料中树脂与纤维的接触表面积、提升纤维在树脂中分布的均匀性，通过增加纤维改性工艺改善纤维与树脂之间的浸润效果、提升连续纤维3D打印单丝粘接性能与结构刚度。该制备方法具有自动化程度高、操作简单、实用性强、可有效提升连续纤维预浸料3D打印复合材料空间桁架制件的性能等优点。
附图说明
图1是本步骤一所述制备连续纤维增强树脂基预浸料的工艺流程图；
图2是步骤一一以树脂线材卷为中心相对设置的维线材卷按照顺时针的顺序循环对调编织示意图；
图3是基于纤维增强树脂基预浸料的空间桁架3D打印示意图；
图4是不同个数纤维线材卷时，纤维线材卷与树脂线材卷的排列示意图。
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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述基于连续纤维增强树脂基预浸料的空间桁架3D打印方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、制备连续纤维增强树脂基预浸料；
步骤一一、将2n个纤维线材卷以树脂线材卷为中心等间隔呈圆周排列，以树脂线材卷为中心相对设置的维线材卷按照顺时针的顺序循环对调编织；其中n大于或等于2；
步骤一二、经步骤一一编织后的纤维线材和树脂线材经三维编织合纱器合成一路丝束；
步骤一三、采用牵引导向辊为丝束提供拉力，采用张力控制辊使丝束保持张紧状态进入改性溶液熔池，使丝束以0.1m/min的速度经过改性溶液熔池，获取树脂溶解在纤维内的丝束；
步骤一四、采用挤压辊对经过改性溶液熔池的丝束进行挤压，然后利用线圈加热器对挤压后的丝束加热，对丝束内的树脂进行加热软化；
步骤一五、采用挤压成型辊对加热软化后的丝束挤压成型，采用风力烘干箱对成型的丝束烘干，完成预浸料的制备；
步骤二、将步骤一制备的预浸料和树脂线材分别置于3D打印机的预浸料原料筒和树脂原料筒；将预浸料线材与树脂线材分别送入3D打印挤出喷头中；
步骤三、控制加热棒预热，3D打印机按照目标空间桁架的3D打印轨迹生成G代码；
步骤四、驱动3D打印机执行G代码，在施加外界刺激的条件下，在打印基板上进行原料的堆积打印，完成基于纤维增强树脂基预浸料的空间桁架3D打印。
参见图2，将多束丝束状纤维原料与线材树脂原料放置于编织料卷1上，编织料卷的的运动按照编织料卷A21、编织料卷B22、编织料卷C23、编织料卷D24、编织料卷E25、编织料卷F26、编织料卷G27形式运动，其中编织料卷A21与编织料卷D24为一组成对角线排布，编织料卷B22与编织料卷E25为一组成对角线排布，编织料卷C23与编织料卷F26为一组成对角线排布，呈正六边形排布。
编织料卷G27为单独一组，位于正六边形中心位置；首先，编织料卷A21与编织料卷D24按照箭头指示运动对方位置，同时释放纤维与树脂线材，而后编织料卷B22与编织料卷E25按照箭头指示运动对方位置，同时释放纤维与树脂线材，下一步，编织料卷C23与编织料卷F26按照箭头指示运动对方位置，同时释放纤维与树脂线材，编织料卷G27保持不动，只释放纤维或者树脂线材，至此第一次所有编织料卷完成动作到达设定位置，下一步，编织料卷D24与编织料卷A21按照箭头指示运动对方位置，同时释放纤维与树脂线材，而后编织料卷E25与编织料卷B22按照箭头指示运动对方位置，同时释放纤维与树脂线材，下一步，编织料卷F26与编织料卷C23按照箭头指示运动对方位置，同时释放纤维与树脂线材，编织料卷G27保持不动，只释放纤维或者树脂线材，至此第二次所有编织料卷完成动作到达设定位置，此为完成一个编织运动循环。按照设定速度无限次完成编织运动循环，使纤维与树脂进行编织。
进一步地，步骤一所述制备连续纤维增强树脂基预浸料还包括：
步骤一六、采用收纱辊对烘干后的丝束收卷。
本实施参见图1进行说明，本实施方式中通过三维编织合纱器2将编织后的纤维与树脂合成一路丝束，通过牵引导向辊3提供牵引动力，引导合成的一路纤维进入张力控制辊4，使合成纱保持张紧状态进入下一步的纤维改性溶液熔池5。值得注意的是，在纤维与树脂编织成合成纱通过收纱辊14以前，由一根细的钢丝绳连接合成纱与收纱辊，保证这个工艺的连贯性。
在室温环境下，在纤维改性溶液熔池5中加入纤维改性溶液。合成纱以0.1m/min的速度通过纤维改性溶液液面以下的溶池导向轮A6与溶池导向轮B7，熔池导向轮A6与熔池导向轮B7的间隔距离为0.5m。通过导轮后的合成纱通过溶液回收挤压辊8除去纤维表面多余的改性溶液。
合成纱经过溶液回收挤压辊8后进入加热导向辊9而后进入线圈加热器10，按照设定的温度与加热时间进行加热，而后进入挤压成型辊11，进一步挤压成型。
参见图1，经过成型挤压后的合成丝束，进入风力烘干箱12，进过烘干后，经由张力控制辊B13，最后由收纱辊14收纱完成预浸料的制备。
参见图3，将完成收卷的预浸料放置于编织预浸料原料筒31上，同时在树脂线材原料筒32上放置树脂线材，将编织预浸料线材与树脂线材分别送入3D打印挤出喷头34中，将加热棒33加热到设定的温度进行预热。
参见图3，按照目标空间桁架36设计的3D打印轨迹生成G代码，驱动3D打印机运动到预先设计的位置与角度，打印挤出喷头34挤出混合的原料，在打印基板35上进行原料的堆积打印，同时在施加外界刺激使挤出的混合原料凝固定型，一直执行设计G代码程序直至完成复合材料空间桁架结构的制造。
进一步地、步骤一一中所述纤维线材卷的纤维线为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、凯夫拉纤维、聚酰亚胺纤维、纱、带、布、毡中的一种或者多种的混合。
进一步地，步骤一一中所述树脂线材卷的树脂线为PE-聚乙烯类、PP-聚丙烯类、PVC-聚氯乙烯类、PS-聚苯乙烯类、PA-聚酰胺类、POM-聚甲醛类、PC-聚碳酸酯类、聚苯醚类、聚砜类等聚合物中的一种或多种任意混合。
进一步地，步骤一三中所述改性溶液熔池中的改性溶液为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N,N-二甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、二恶烷、丙酮、二甲基亚砜、三氯乙烯、二氯甲烷、二氯乙烷、氯仿中的一种或任意多种混合。
进一步地，步骤一一中所述的2n个纤维线材卷的个数为6。
进一步地，步骤四中所述的外界刺激的条件包括紫外线照射、激光照射、脉冲氙灯照射、热风、冷风快速固化中一种或任意多种混合
参见图4，本发明的纤维线材卷至少为4个，至少选择2种纤维的等额或者差额配比进行编织，大大提高纤维增强复合材料的性能可设计性，按照需求引入多种纤维可满足复杂应用环境对复合材料的多功能需求，真正做到复合材料结构可设计，性能可设计，改善传统方法制备的预浸料缺点明显，性能不均衡的不足，提升复合纤维增强复合材料的整体性能。
本发明可以采用不同材料配比，对不同粗细的预浸料进行制备，例如：对于4个纤维线材编织料卷，将第一种纤维线材原料放置于编织料卷A21、编织料卷B22、编织料卷C23上，将第二种纤维线材原料放置于编织料卷D24上进行编织制备。
亦或将第一种纤维线材原料放置于编织料卷A21、编织料卷B22，将第二种纤维线材原料放置于编织料卷C23、编织料卷D24上进行编织制备。
对于6个纤维线材编织料卷，将第一种纤维线材原料放置于编织料卷A21、编织料卷B22、编织料卷C23、编织料卷D24，将第二种纤维线材原料放置于编织料卷E25、编织料卷F26上进行编织制备。
亦或将第一种纤维线材原料放置于编织料卷A21、编织料卷B22、将第二种纤维线材原料放置于编织料卷C23、编织料卷D24上，将第三种纤维线材原料放置于编织料卷E25、编织料卷F26上进行编织制备。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.基于连续纤维增强树脂基预浸料的空间桁架3D打印方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：
步骤一、制备连续纤维增强树脂基预浸料；
步骤一一、将2n个纤维线材卷以树脂线材卷为中心等间隔呈圆周排列，以树脂线材卷为中心相对设置的纤维线材卷按照顺时针的顺序循环对调编织；其中n大于或等于2；
步骤一二、经步骤一一编织后的纤维线材和树脂线材经三维编织合纱器合成一路丝束；
步骤一三、采用牵引导向辊为丝束提供拉力，采用张力控制辊使丝束保持张紧状态进入改性溶液熔池，使丝束以0.1m/min的速度经过改性溶液熔池，获取树脂溶解在纤维内的丝束；
步骤一四、采用挤压辊对经过改性溶液熔池的丝束进行挤压，然后利用线圈加热器对挤压后的丝束加热，对丝束内的树脂进行加热软化；
步骤一五、采用挤压成型辊对加热软化后的丝束挤压成型，采用风力烘干箱对成型的丝束烘干，完成预浸料的制备；
步骤二、将步骤一制备的预浸料和树脂线材分别置于3D打印机的预浸料原料筒和树脂原料筒；将预浸料线材与树脂线材分别送入3D打印挤出喷头中；
步骤三、控制加热棒预热，3D打印机按照目标空间桁架的3D打印轨迹生成G代码；
步骤四、驱动3D打印机执行G代码，在施加外界刺激的条件下，在打印基板上进行原料的堆积打印，完成基于纤维增强树脂基预浸料的空间桁架3D打印。
2.根据权利要求1所述的基于连续纤维增强树脂基预浸料的空间桁架3D打印方法，其特征在于，步骤一中所述制备连续纤维增强树脂基预浸料还包括：
步骤一六、采用收纱辊对烘干后的丝束收卷。
3.根据权利要求1或2所述的基于连续纤维增强树脂基预浸料的空间桁架3D打印方法，其特征在于，步骤一一中所述纤维线材卷的纤维线为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、凯夫拉纤维、聚酰亚胺纤维、纱、带、布、毡中的一种或者多种的混合。
4.根据权利要求1所述的基于连续纤维增强树脂基预浸料的空间桁架3D打印方法，其特征在于，步骤一一中所述树脂线材卷的树脂线为PE-聚乙烯类、PP-聚丙烯类、PVC-聚氯乙烯类、PS-聚苯乙烯类、PA-聚酰胺类、POM-聚甲醛类、PC-聚碳酸酯类、聚苯醚类、聚砜类等聚合物中的一种或多种任意混合。
5.根据权利要求1所述的基于连续纤维增强树脂基预浸料的空间桁架3D打印方法，其特征在于，步骤一三中所述改性溶液熔池中的改性溶液为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N,N-二甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、二恶烷、丙酮、二甲基亚砜、三氯乙烯、二氯甲烷、二氯乙烷、氯仿中的一种或任意多种混合。
6.根据权利要求1所述的基于连续纤维增强树脂基预浸料的空间桁架3D打印方法，其特征在于，步骤一一中所述的2n个纤维线材卷的个数为6。
7.根据权利要求1所述的基于连续纤维增强树脂基预浸料的空间桁架3D打印方法，其特征在于，步骤四中所述的外界刺激的条件包括紫外线照射、激光照射、脉冲氙灯照射、热风、冷风快速固化中一种或任意多种混合。
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