CN112757626A - 一种连续碳纤维fdm 3d打印成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续碳纤维FDM 3D打印成型方法，该3D打印成型方法包括以下步骤：将连续碳纤维长丝增强材料和热塑性塑料长丝基础材料分别卷绕在可旋转线盘上；将两种线盘放置于普通鼓风干燥箱进行烘干；将FDM打印系统的成型室、打印平台以及挤出机的融化腔和喷嘴进行加热；将连续碳纤维长丝增强材料和热塑性塑料长丝基础材料分别按照程序设定送至打印系统进行打印成型。该一种连续碳纤维FDM 3D打印成型方法，结合连续碳纤维增强聚合物复合材料打印的复杂形状零部件，其具有出色的耐高温和抗化学性能，能够制造轻质高强的3D打印碳纤维复合材料零部件，为我国在在高性能复杂结构件的成型工艺方面提供一套具有参考意义的工艺技术。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造和熔丝成型(FDM)3D打印碳纤维复合材料技术领域，具体为一种连续碳纤维FDM 3D打印成型方法。
背景技术
碳纤维是一种含碳量在90％以上且具有高强度、高比模量、低密度、耐高温、耐化学腐蚀、低电阻、高导热、耐辐射以及优良阻尼减震降噪等性能的纤维材料；热塑性树脂具有良好的耐腐蚀性、断裂韧性、耐损伤容限和抗冲击性，且密度较低。以碳纤维为增强体，热塑性树脂为基体的碳纤维增强热塑性复合材料具有轻质高强、减轻构件重量、提高构件效率、改善构件可靠性、延长构件寿命等特点，具有金属材料无法比拟的优势。目前这种高性能复合材料的传统成型制备工艺的适用性广泛，成熟度较高，但其生产成本高昂、效率不高。并且对于复杂结构和小批量定制化的产品制造难以胜任。然而，3D打印作为一种以物联网为基础的智能制造技术，采用3D打印可以快速研发和制造出任意形状的构型，在空间立体模型的制作上具有得天独厚的优势，在定制化小批量生产方面更是具有巨大的的先天优势。因此，通过发明一种连续碳纤维FDM 3D打印成型技术，结合连续碳纤维增强聚合物复合材料材料打印的复杂形状零部件具有出色的耐高温和抗化学性能，能够制造轻质高强的3D打印碳纤维复合材料零部件。
我国在高性能复杂结构件的成型工艺方面的研究与发达国家相比还存在着不小的差距，特别是在航空航天、武器制造等高精尖领域，碳纤维复合材料结构件的制备技术还停留在传统成型工艺上，这也是制约我国高性能碳纤维增强热塑性复合材料发展的重要原因；
因此我们提出了一种连续碳纤维FDM 3D打印成型方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种连续碳纤维FDM 3D打印成型方法，该3D打印成型方法包括以下步骤：
步骤一、将连续碳纤维长丝增强材料和热塑性塑料长丝基础材料分别卷绕在可旋转线盘上；
步骤二、将两种线盘放置于普通鼓风干燥箱进行烘干；
步骤三、将FDM打印系统的成型室，打印平台以及挤出机的融化腔和喷嘴进行加热；
步骤四、将烘干后的两种线盘放入FDM打印系统的材料箱进一步进行干燥；
步骤五、将连续碳纤维长丝线头和塑料长丝线头分别插入纤维送料器和塑料送料器，通过送料器的两个相向转动的滚轮向下摩擦送料，如图1；
步骤六、在挤出机垂直方向的上方纤维长丝入口安装剪线器，用于剪断连续碳纤维长丝；
步骤七、挤出机内部中心位置配备特殊规格的融化腔，用于装盛熔融塑料；
步骤八、在挤出机融化腔安装加热块，用于加热整个融化腔和喷嘴；
步骤九、在挤出机融化腔安装超声振动器，用于搅拌融化腔内的熔融塑料；
步骤十、连续碳纤维长丝垂直方向向下通过挤出机的入口、通道、融化腔、通道、出口，再经过喷嘴送出；
步骤十一、塑料长丝通过挤出机的侧壁上的通道进入融化腔，在融化腔中加热融化包覆在连续碳纤维长丝的表面上，再经过喷嘴与连续碳纤维长丝一起送出，逐层打印，最终可以获得热塑性塑料包覆连续碳纤维长丝的复合材料3D打印零件。
优选的，步骤一中，所述的连续碳纤维长丝增强材料为热塑性塑料包覆连续碳纤维长丝复合材料。
优选的，所述的烘干温度为60～120℃，烘干时间为4～8小时。
优选的，所述成型室加热温度为0～150℃无级可调，打印平台温度为0～200℃无级可调，挤出机的融化腔和喷嘴温度为0～500℃无级可调。
优选的，所述材料箱为密封式材料箱，与成型室连同，干燥温度为0～150℃，干燥时间为持续烘干。
优选的，所述的纤维送料器的滚轮材质为不锈钢表面喷涂碳化钨硬化耐磨涂层，塑料送料器为不锈钢材料。
优选的，所述的剪线器为全自动智能剪线器。
优选的，所述的融化腔规格为大尺寸融化腔，规格≥φ100*200mm。
优选的，所述的超声振动器为小尺寸大功率超声和振动一体机。
优选的，步骤十中，所述的入口、通道、融化腔、通道、出口、喷嘴保持在同一垂直线上，步骤十一中，所述的喷嘴材质为不锈钢材质，喷嘴内部通道表面采用PVD碳氮化钛硬化耐磨涂层加强。
与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：该一种连续碳纤维FDM 3D打印成型方法，结合连续碳纤维增强聚合物复合材料材料打印的复杂形状零部件具有出色的耐高温和抗化学性能，能够制造轻质高强的3D打印碳纤维复合材料零部件，为我国在在高性能复杂结构件的成型工艺方面提供一套具有参考意义的工艺技术。
附图说明
图1为本发明一种连续碳纤维FDM 3D打印成型的整体结构示意图。
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。
请参阅图1，本发明公开了一种连续碳纤维FDM 3D打印成型方法，该3D打印成型方法包括以下步骤：
步骤一、将连续碳纤维长丝增强材料和热塑性塑料长丝基础材料分别卷绕在可旋转线盘上；
步骤二、将两种线盘放置于普通鼓风干燥箱进行烘干；
步骤三、将FDM打印系统的成型室，打印平台以及挤出机的融化腔和喷嘴进行加热；
步骤四、将烘干后的两种线盘放入FDM打印系统的材料箱进一步进行干燥；
步骤五、将连续碳纤维长丝线头和塑料长丝线头分别插入纤维送料器和塑料送料器，通过送料器的两个相向转动的滚轮向下摩擦送料，如图1；
步骤六、在挤出机垂直方向的上方纤维长丝入口安装剪线器，用于剪断连续碳纤维长丝；
步骤七、挤出机内部中心位置配备特殊规格的融化腔，用于装盛熔融塑料；
步骤八、在挤出机融化腔安装加热块，用于加热整个融化腔和喷嘴；
步骤九、在挤出机融化腔安装超声振动器，用于搅拌融化腔内的熔融塑料；
步骤十、连续碳纤维长丝垂直方向向下通过挤出机的入口、通道、融化腔、通道、出口，再经过喷嘴送出；
步骤十一、塑料长丝通过挤出机的侧壁上的通道进入融化腔，在融化腔中加热融化包覆在连续碳纤维长丝的表面上，再经过喷嘴与连续碳纤维长丝一起送出，逐层打印，最终可以获得热塑性塑料包覆连续碳纤维长丝的复合材料3D打印零件。
所述的连续碳纤维长丝增强材料为热塑性塑料包覆连续碳纤维长丝复合材料。
所述的烘干温度为60～120℃，烘干时间为4～8小时。
所述成型室加热温度为0～150℃无级可调，打印平台温度为0～200℃无级可调，挤出机的融化腔和喷嘴温度为0～500℃无级可调。
所述材料箱为密封式材料箱，与成型室连同，干燥温度为0～150℃，干燥时间为持续烘干。
所述的纤维送料器的滚轮材质为不锈钢表面喷涂碳化钨硬化耐磨涂层，塑料送料器为不锈钢材料。
所述的剪线器为全自动智能剪线器。
所述的融化腔规格为大尺寸融化腔，规格≥φ100*200mm。
所述的超声振动器为小尺寸大功率超声和振动一体机。
步骤十中，所述的入口、通道、融化腔、通道、出口、喷嘴保持在同一垂直线上，步骤十一中，所述的喷嘴材质为不锈钢材质，喷嘴内部通道表面采用PVD碳氮化钛硬化耐磨涂层加强。
需要说明的是，采用连续碳纤维FDM 3D打印成型技术时，首先将连续碳纤维长丝增强材料和热塑性塑料长丝基础材料分别卷绕在可旋转线盘上；将两种线盘放置于普通鼓风干燥箱进行烘干；将FDM打印系统的成型室，打印平台以及挤出机的融化腔和喷嘴进行加热；将烘干后的两种线盘放入FDM打印系统的材料箱进一步进行干燥；将连续碳纤维长丝线头和塑料长丝线头分别插入纤维送料器和塑料送料器，通过送料器的两个相向转动的滚轮向下摩擦送料，如图1；在挤出机垂直方向的上方纤维长丝入口安装剪线器，用于剪断连续碳纤维长丝；挤出机内部中心位置配备特殊规格的融化腔，用于装盛熔融塑料；在挤出机融化腔安装加热块，用于加热整个融化腔和喷嘴；在挤出机融化腔安装超声振动器，用于搅拌融化腔内的熔融塑料；连续碳纤维长丝垂直方向向下通过挤出机的入口、通道、融化腔、通道、出口，再经过喷嘴送出；塑料长丝通过挤出机的侧壁上的通道进入融化腔，在融化腔中加热融化包覆在连续碳纤维长丝的表面上，再经过喷嘴与连续碳纤维长丝一起送出，逐层打印，最终可以获得热塑性塑料包覆连续碳纤维长丝的复合材料3D打印零件。
该技术结合连续碳纤维增强聚合物复合材料材料打印的复杂形状零部件具有出色的耐高温和抗化学性能，能够制造轻质高强的3D打印碳纤维复合材料零部件，为我国在在高性能复杂结构件的成型工艺方面提供一套具有参考意义的工艺技术。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种连续碳纤维FDM 3D打印成型方法，其特征在于：该3D打印成型方法包括以下步骤：
步骤一、将连续碳纤维长丝增强材料和热塑性塑料长丝基础材料分别卷绕在可旋转线盘上；
步骤二、将两种线盘放置于普通鼓风干燥箱进行烘干；
步骤三、将FDM打印系统的成型室，打印平台以及挤出机的融化腔和喷嘴进行加热；
步骤四、将烘干后的两种线盘放入FDM打印系统的材料箱进一步进行干燥；
步骤五、将连续碳纤维长丝线头和塑料长丝线头分别插入纤维送料器和塑料送料器，通过送料器的两个相向转动的滚轮向下摩擦送料，如图1；
步骤六、在挤出机垂直方向的上方纤维长丝入口安装剪线器，用于剪断连续碳纤维长丝；
步骤七、挤出机内部中心位置配备特殊规格的融化腔，用于装盛熔融塑料；
步骤八、在挤出机融化腔安装加热块，用于加热整个融化腔和喷嘴；
步骤九、在挤出机融化腔安装超声振动器，用于搅拌融化腔内的熔融塑料；
步骤十、连续碳纤维长丝垂直方向向下通过挤出机的入口、通道、融化腔、通道、出口，再经过喷嘴送出；
步骤十一、塑料长丝通过挤出机的侧壁上的通道进入融化腔，在融化腔中加热融化包覆在连续碳纤维长丝的表面上，再经过喷嘴与连续碳纤维长丝一起送出，逐层打印，最终可以获得热塑性塑料包覆连续碳纤维长丝的复合材料3D打印零件。
2.根据权利要求1所述的一种连续碳纤维FDM 3D打印成型方法，其特征在于：步骤一中，所述的连续碳纤维长丝增强材料为热塑性塑料包覆连续碳纤维长丝复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种连续碳纤维FDM 3D打印成型方法，其特征在于：步骤二中，所述的烘干温度为60～120℃，烘干时间为4～8小时。
4.根据权利要求1所述的一种连续碳纤维FDM 3D打印成型方法，其特征在于：步骤三中，所述成型室加热温度为0～150℃无级可调，打印平台温度为0～200℃无级可调，挤出机的融化腔和喷嘴温度为0～500℃无级可调。
5.根据权利要求1所述的一种连续碳纤维FDM 3D打印成型方法，其特征在于：步骤四中，所述材料箱为密封式材料箱，与成型室连同，干燥温度为0～150℃，干燥时间为持续烘干。
6.根据权利要求1所述的一种连续碳纤维FDM 3D打印成型方法，其特征在于：步骤五中，所述的纤维送料器的滚轮材质为不锈钢表面喷涂碳化钨硬化耐磨涂层，塑料送料器为不锈钢材料。
7.根据权利要求1所述的一种连续碳纤维FDM 3D打印成型方法，其特征在于：步骤六中，所述的剪线器为全自动智能剪线器。
8.根据权利要求1所述的一种连续碳纤维FDM 3D打印成型方法，其特征在于：步骤七中，所述的融化腔规格为大尺寸融化腔，规格≥φ100*200mm。
9.根据权利要求1所述的一种连续碳纤维FDM 3D打印成型方法，其特征在于：步骤九中，所述的超声振动器为小尺寸大功率超声和振动一体机。
10.根据权利要求1所述的一种连续碳纤维FDM 3D打印成型方法，其特征在于：步骤十中，所述的入口、通道、融化腔、通道、出口、喷嘴保持在同一垂直线上，步骤十一中，所述的喷嘴材质为不锈钢材质，喷嘴内部通道表面采用PVD碳氮化钛硬化耐磨涂层加强。
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