CN112847923B - 一种连续纤维增强热塑性材料3d打印细丝的制备装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于3D打印原材料制造技术领域，一种连续纤维增强热塑性材料3D打印细丝的制备装置，包括依次设置的放卷架、牵引辊组、预热箱、等离子处理机构、浸润定型模具、冷却机构、牵引机构和收卷装置；浸润定型模具具有用于浸润连续纤维的浸润流道，挤出机的出口与浸润流道连通，用于供给熔融的热塑性材料；等离子处理机构包括用于承接连续纤维的传送结构和用于对连续纤维进行表面处理的等离子发生器。本发明通过设置预热箱能够去除连续纤维表面的环氧上浆剂，通过低温等离子体处理连续纤维表面，提高连续纤维表面活性，同时对连续纤维表面发生刻蚀，产生粗糙面，增加与基体树脂的粘结，提高连续纤维与基体树脂的界面结合性。
Description
技术领域
本发明属于3D打印原材料制造技术领域，尤其涉及一种连续纤维增强热塑性材料的制备装置及工艺。
背景技术
连续纤维增强热塑性复合材料，具有质量小、力学性能高、抗冲击韧性好、耐环境稳定性好、可回收和可设计性好等优点，被广泛应用于航空航天、石油化工、医疗器械等领域，也成为国内外重点研究的热门材料。
传统的加工方式有模压加工、缠绕加工、铺放加工、冲压加工等。虽然技术较为成熟，但其加工周期较长、工艺复杂、需要专用的成型模具、成本较、加工效率低，始终限制了应用的快速发展。而3D打印作为一种增材制造成型技术，具有工艺简单、制造成本低、材料利用率高、加工效率高等优点。并且能任意控制纤维的取向路径，提高纤维的增强效果，这些都使得3D打印成型技术获得了十分广阔的发展空间和应用前景。作为影响3D打印成型技术的关键要素之一，3D打印原材料细丝的力学强度会直接影响到成型制品的强度，所以说原材料细丝的力学强度至关重要。目前3D打印细丝中使用最广泛的是采用短切碳纤维增强的，但其始终存在一个致命的问题力学强度不够。而使用连续纤维增强，就可以弥补力学强度不够的问题。
碳纤维具有质量轻、比强度高、热膨胀系数小、热稳定性好等优点。基体树脂与连续碳纤维结合后，能表现出更加好的力学强度、弹性模量、尺寸稳定性、耐高温、耐摩擦等性能。而由于碳纤维表面光滑，缺少活性基团，反应活性差，与基体树脂的粘结性差。高温去除环氧上浆剂，会对碳纤维制成轻微的损伤，导致碳纤维增强复合材料的力学性能变差，影响碳纤维高性能作用。
发明内容
为解决现有技术存在的碳纤维与基体树脂粘结性差的缺陷，本发明提供一种连续纤维增强热塑性材料3D打印细丝的制备装置及工艺。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种连续纤维增强热塑性材料3D打印细丝的制备装置，包括依次设置的放卷架、牵引辊组、预热箱、等离子处理机构、浸润定型模具、冷却机构、牵引机构和收卷装置；
所述的浸润定型模具具有用于浸润连续纤维的浸润流道，挤出机的出口与所述浸润流道连通，用于供给熔融的热塑性材料；
所述等离子处理机构包括用于承接连续纤维的传送结构和用于对连续纤维进行表面处理的等离子发生器。
作为优选，所述的传送结构为毛毡传送带。毛毡传送带与连续纤维之间产生摩擦力与牵引力的夹角力，使得连续纤维束逐步向两侧展开、变薄，起到展纱的作用，同时也可吸收残留的等离子体。
进一步地，所述的浸润定型模具包括浸润段和定型段，所述浸润段包括上模和下模，所述上模和下模配合形成浸润通道，所述下模上设置有与所述挤出机出口连通的进料口，所述进料口与所述浸润通道连通，所述的浸润通道的入口高度高于其出口高度，且所述浸润通道呈具有多个波峰和波谷的M型结构，且由其入口至出口的方向上波峰和波谷的高度逐渐降低；所述定型段包括上定型块和下定型块，所述上定型块和下定型块配合形成定型孔，所述的定型孔的入口与所述浸润通道的出口形状相匹配，所述定型孔的出口为圆孔，所述定型孔与所述浸润通道连通形成浸润流道。采用M型浸润通道结构能够增加浸润通道长度，提高连续纤维与基体树脂的浸润效果，同时由于浸润通道入口位置较高，避免了基体树脂由浸润通道入口处溢出，并尽可能的往浸润通道下游流动，有利于提高浸润效果。
作为优选，所述浸润通道的波峰和波谷以圆弧过渡。在波峰和波谷段以圆弧过渡相当于在该处形成了圆弧凸起或凹陷，有利于提高连续纤维与基体树脂浸润过程中所受到的挤压作用，同时减小对连续纤维的损伤，有利于提高浸润效果。
作为优选，所述浸润通道靠近其出口处设置有限位结构，所述下模上设置有截面呈圆弧形的限位凸起，所述上模上设置有两个朝向所述限位凸起隆起的弧形限位面，两个所述弧形限位面分别位于所述限位凸起的两侧，所述限位凸起和弧形限位面配合形成所述限位结构。由于连续纤维束在浸润通道中是平铺展开状态，而在出定型段时是收拢呈一束的状态，因此，需要在浸润通道的出口处极易引起连续纤维的收拢，影响浸润效果，采用上述限位结构的限位凸起和弧形限位面相互配合，不仅能够起到对连续纤维的挤压作用，提高浸润效果，而且有利于增加连续纤维与限位凸起和弧形限位面之间的接触面积和摩擦力，避免连续纤维收拢。
作为优选，所述的定型孔由其入口至出口方向依次包括缩口段和圆孔段，所述缩口段尺寸逐渐减小，所述缩口段靠近圆孔段处的外壁上设置有环形进料通道，所述进料通道设置有与所述缩口段连通的补料口，所述缩口段远离所述圆孔段的一端底部设置有出料槽，所述出料槽与外界连通。定型孔的设计是的浸润的纤维束逐渐缓慢的定型成丝，对连续纤维的损伤小；环形进料通道和补料口的设置用于辅助补料，便于对浸润连续纤维束在逐渐定型的过程中进行补料保压，便于浸润的连续纤维束更好的定型成丝；出料槽的设置便于排出定型孔内多余的基体树脂，防止基体树脂长时间高温碳化，对连续纤维束的浸润成型质量产生影响。
作为优选，所述浸润通道型腔宽度为90～110mm，定型孔长度为40～60mm，定型孔的出口直径为1～2.5mm。
进一步地，本发明中在浸润段和定型段均设置加热结构，以保持基体树脂的流动性，提高浸润效果。
本发明还提供一种连续纤维增强热塑性材料3D打印细丝制备工艺，其利用上述的制备装置，步骤如下：
(1)将连续纤维束经放卷架放卷，经过牵引辊组后进入预热箱进行预热处理；
(2)经预热处理后的连续纤维束通入等离子处理机构展开、变薄并进行等离子处理，然后引入浸润定型模具；
(3)将基体树脂经挤出机熔融后挤入浸润定型模具，使连续纤维在浸润通道内充分浸润基体树脂，完成浸润和定型形成细丝过程，然后通入冷却机构进行冷却，经牵引机构后再利用收卷装置进行收卷，即得到连续纤维增强热塑性材料3D打印细丝。
作为优选，所述的连续纤维为T300和T700等级的1k、3k及12k碳纤维；所述的基体树脂为热塑性材料，包括聚苯硫醚、聚醚醚酮或聚醚酰亚胺。
作为优选，所述的传送结构为毛毡传送带，所述的毛毡传送带传送速度大于所述牵引辊和牵引机构的牵引速度。有利于连续纤维束的展开、变薄，起到展纱的作用。
有益效果：本发明通过设置预热箱能够去除连续纤维表面的环氧上浆剂，通过低温等离子体处理连续纤维表面，能够使连续纤维表面发生物理、化学变化，引入含氧极性基团，提高连续纤维表面活性，同时对连续纤维表面发生刻蚀，产生粗糙面，增加与基体树脂的粘结，提高连续纤维与基体树脂的界面结合性。
附图说明
图1为本发明设备结构示意图；
图2为浸润定型模具结构示意图；
图3为图2中A处局部结构放大图；
图4为图2中B处局部结构放大图；
图5为浸润定型模具立体结构示意图；
图中1.防卷架，2.牵引辊组，3.预热箱，4.传送结构，5.等离子发生器，6.浸润定型模具，60.进料口，61.上模，62.下模，63.浸润通道，631.波峰，632.波谷，64.限位凸起，65.弧形限位面，66.上定型块，67.下定型块，68.定型孔，681.缩口段，682.圆孔段，683.出料槽，684.进料通道，69.圆孔，7.冷却机构，8.牵引机构，9.收卷装置。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种连续纤维增强热塑性材料3D打印细丝的制备装置，包括依次设置的放卷架1、牵引辊组2、预热箱3、等离子处理机构、浸润定型模具6、冷却机构7、牵引机构8和收卷装置9；
所述等离子处理机构包括用于承接连续纤维的传送结构4和用于对连续纤维进行表面处理的等离子发生器5。本实施例中以所述的传送结构4为毛毡传送带为例进行说明。
所述的浸润定型模具6具有用于浸润连续纤维的浸润流道，挤出机的出口与所述浸润流道连通，用于供给熔融的热塑性材料；
如图2～5所示，具体地，为了提高浸润效果，所述的浸润定型模具6包括浸润段和定型段，所述浸润段包括上模61和下模62，所述上模61和下模62配合形成浸润通道63，所述下模62上设置有与所述挤出机出口连通的进料口60，所述进料口60与所述浸润通道63连通，为了避免基体树脂由其入口处溢出，所述的浸润通道63的入口高度高于其出口高度，且为了增加浸润通道63长度，提高浸润效果，所述浸润通道63呈具有多个波峰631和波谷632的M型结构，且为使基体树脂在浸润通道63内尽量的向浸润通道63的下游流动，由其入口至出口的方向上波峰631和波谷632的高度逐渐降低。进一步地，所述浸润通道63的波峰631和波谷632以圆弧过渡，有利于提高连续纤维与基体树脂浸润过程中所受到的挤压作用，同时减小对连续纤维的损伤，有利于提高浸润效果。
所述定型段包括上定型块66和下定型块67，所述上定型块66和下定型块67配合形成定型孔68，所述的定型孔68的入口与所述浸润通道63的出口形状相匹配，所述定型孔68的出口为圆孔69，所述定型孔68与所述浸润通道63连通形成浸润流道。
所述浸润通道63靠近其出口处设置有限位结构，所述下模62上设置有截面呈圆弧形的限位凸起64，所述上模61上设置有两个朝向所述限位凸起64隆起的弧形限位面65，两个所述弧形限位面65分别位于所述限位凸起64的两侧，所述限位凸起64和弧形限位面65配合形成所述限位结构。由于连续纤维束在浸润通道63中是平铺展开状态，而在出定型段时是收拢呈一束的状态，因此，需要在浸润通道63的出口处极易引起连续纤维的收拢，影响浸润效果，采用上述限位结构的限位凸起64和弧形限位面65相互配合，不仅能够起到对连续纤维的挤压作用，提高浸润效果，而且有利于增加连续纤维与限位凸起64和弧形限位面65之间的接触面积和摩擦力，避免连续纤维收拢。
具体地，所述的定型孔68由其入口至出口方向依次包括缩口段681和圆孔段682，所述缩口段681尺寸逐渐减小，所述缩口段681靠近圆孔段682处的外壁上设置有环形进料通道684，所述进料通道684设置有与所述缩口段681连通的补料口，为了便于将多余的基体树脂排出，所述缩口段681远离所述圆孔段682的一端底部设置有出料槽683，所述出料槽683与外界连通。保持基体树脂的流动性，提高浸润效果，浸润段和定型段均设置加热结构。冷却机构7采用冷却水槽。
所述浸润通道63型腔宽度为90～110mm，定型孔68长度为40～60mm，定型孔68的出口直径为1～2.5mm。
实施例2
利用上述装置制备连续纤维增强热塑性材料的工艺如下：
原材料选择：连续碳纤维选择为日本东丽的T300、1K碳纤维，热塑性材料选择为中研PEEK330G粒子；
工艺参数设置如下：预热箱3的温度为250℃，牵引辊组2和牵引机构8同步牵引速度都为4m/min，毛毡传送带的的速度为4.5m/min，等离子喷头距离连续碳纤维束表面为5mm，浸润定型模具6的温度为370-385℃，浸润流道间隙为5mm，定型孔68出口口模的直径为1.75mm，单螺杆挤出机，温度为360-385℃，螺杆直径25mm，压缩比1:2，螺杆转速为15r/min。
(1)从放卷架1引出四束连续碳纤维束，经过牵引辊组2绕辊得到张力稳定的连续碳纤维束，后进入预热箱3进行高温预热处理，除去表面少量的环氧上浆剂；
(2)经预热处理后的连续纤维束经过毛毡传送带展开、变薄，最终展开单束宽度为1～1.5mm，并传送至等离子发生器5的喷头下方，等离子发生器5对连续碳纤维束表面释放等离子体进行表面处理，然后引入浸润定型模具6；
(3)将基体树脂经挤出机熔融后挤入浸润定型模具6，使连续碳纤维在浸润通道63内充分浸润基体树脂，完成浸润和定型形成细丝过程，然后在牵引机构8牵引下，通入冷却机构7进行冷却，再利用收卷装置9进行收卷，即得到直径为1.75mm的连续碳纤维增强PEEK的3D打印细丝。
实施例3
与实施例1区别在于：原材料连续碳纤维选择为日本东丽的T300、3K碳纤维。步骤(2)中最终展开单束宽度为2～4mm。
实施例4
与实施例2区别在于：原材料连续碳纤维选择为日本东丽的T300、12K碳纤维；
牵引辊组2和牵引机构8同步牵引速度都为5m/min，毛毡传送带的的速度为5.5m/min，定型孔68出口口模的直径为2.5mm。
其他同实施例1，最终得到直径为2.5mm的连续碳纤维增强PEEK的3D打印细丝。
实施例5
与实施例4不同在于：连续碳纤维为东丽碳纤维T700、12k碳纤维。
实施例6
与实施例2不同在于：原材料连续碳纤维选择为日本东丽的T300、3K碳纤维，热塑性材料选择为沙比克PEI1000-1000粒子。
Claims (5)
1.一种连续纤维增强热塑性材料3D打印细丝的制备装置，其特征在于：包括依次设置的放卷架(1)、牵引辊组(2)、预热箱(3)、等离子处理机构、浸润定型模具(6)、冷却机构(7)、牵引机构(8)和收卷装置(9)；
所述的浸润定型模具(6)具有用于浸润连续纤维的浸润流道，挤出机的出口与所述浸润流道连通，用于供给熔融的热塑性材料；
所述等离子处理机构包括用于承接连续纤维的传送结构(4)和用于对连续纤维进行表面处理的等离子发生器(5)；
所述的传送结构(4)为毛毡传送带；
所述的浸润定型模具(6)包括浸润段和定型段，所述浸润段包括上模(61)和下模(62)，所述上模(61)和下模(62)配合形成浸润通道(63)，所述下模(62)上设置有与所述挤出机出口连通的进料口(60)，所述进料口(60)与所述浸润通道(63)连通，所述的浸润通道(63)的入口高度高于其出口高度，且所述浸润通道(63)呈具有多个波峰(631)和波谷(632)的M型结构，且由其入口至出口的方向上波峰(631)和波谷(632)的高度逐渐降低；所述定型段包括上定型块(66)和下定型块(67)，所述上定型块(66)和下定型块(67)配合形成定型孔(68)，所述的定型孔(68)的入口与所述浸润通道(63)的出口形状相匹配，所述定型孔(68)的出口为圆孔(69)，所述定型孔(68)与所述浸润通道(63)连通形成浸润流道；
所述浸润通道(63)的波峰(631)和波谷(632)以圆弧过渡；
所述浸润通道(63)靠近其出口处设置有限位结构，所述下模(62)上设置有截面呈圆弧形的限位凸起(64)，所述上模(61)上设置有两个朝向所述限位凸起(64)隆起的弧形限位面(65)，两个所述弧形限位面(65)分别位于所述限位凸起(64)的两侧，所述限位凸起(64)和弧形限位面(65)配合形成所述限位结构；
所述的定型孔(68)由其入口至出口方向依次包括缩口段(681)和圆孔段(682)，所述缩口段(681)尺寸逐渐减小，所述缩口段(681)靠近圆孔段(682)处的外壁上设置有环形进料通道(684)，所述进料通道(684)设置有与所述缩口段(681)连通的补料口，所述缩口段(681)远离所述圆孔段(682)的一端底部设置有出料槽(683)，所述出料槽(683)与外界连通。
2.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性材料3D打印细丝的制备装置，其特征在于：所述浸润通道(63)型腔宽度为90～110mm，定型孔(68)长度为40～60mm，定型孔(68)的出口直径为1～2.5mm。
3.一种连续纤维增强热塑性材料3D打印细丝制备工艺，其特征在于：利用权利要求1～2任一项所述的制备装置，步骤如下：
(1)将连续纤维束经放卷架(1)放卷，经过牵引辊组(2)后进入预热箱(3)进行预热处理；
(2)经预热处理后的连续纤维束通入等离子处理机构展开、变薄并进行等离子处理，然后引入浸润定型模具(6)；
(3)将基体树脂经挤出机熔融后挤入浸润定型模具(6)，使连续纤维在浸润通道(63)内充分浸润基体树脂，完成浸润和定型形成细丝过程，然后通入冷却机构(7)进行冷却，经牵引机构(8)后再利用收卷装置(9)进行收卷，即得到连续纤维增强热塑性材料3D打印细丝。
4.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于：所述的连续纤维为T300和T700等级的1k、3k及12k碳纤维；所述的基体树脂为热塑性材料，包括聚苯硫醚、聚醚醚酮或聚醚酰亚胺。
5.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于：所述的传送结构(4)为毛毡传送带，所述的毛毡传送带传送速度大于所述牵引辊和牵引机构(8)的牵引速度。
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Denomination of invention: A Preparation Device and Process for 3D Printing Fine Wires of Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic Materials Effective date of registration: 20230928 Granted publication date: 20220916 Pledgee: Bank of Nanjing Co.,Ltd. Changzhou Branch Pledgor: JIANGSU JUNHUA HIGH PERFORMANCE SPECIALTY ENGINEERING PLASTICS (PEEK) PRODUCTS CO.,LTD. Registration number: Y2023980059809 |
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