CN112895425A - 偏心多辊子浸渍复合的纤维丝熔融沉积挤出打印喷头装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种偏心多辊子浸渍复合的纤维丝熔融沉积挤出打印喷头装置。螺杆部分料仓、浸渍料仓、共混喷头加热仓上下依次布置，螺杆部分料仓和浸渍料仓内均有聚合物熔体，连续纤维和聚合物粒料从螺杆部分料仓入口进入，在螺杆电机工作下混合聚合物熔体初步复合共挤出，再进入浸渍料仓后经加热后再进入共混喷头加热仓，聚合物导管加入聚合物丝材，经共混喷头加热仓热熔复合挤出；浸渍料仓内有偏心辊子，在浸渍料仓内沿挤出工序流向从上到下依次间隔布置且绕自身的偏心轴旋转。本发明解决了现有浸渍不良的问题，通过偏心辊子转动使得纤维丝料在辊子间的接触区域与包覆角随之变化，实时调节丝料的浸渍和复合，促进聚合物熔体与连续纤维的复合。
Description
技术领域
本发明涉及一种熔融沉积挤出喷头，尤其是涉及浸渍技术的连续纤维复合材料的喷头。
背景技术
熔融沉积，是目前运用最为广泛的增材制造技术，具有灵活快速的优点，对小批量与定制化的产品，免去了模具设计制造的过程，提高生产效率，节省成本。但是目前主流材料如PLA，ABS等基体机械性能较低，打印的产品无法应用于如承力件，连接件，传动件等工业用途。为了解决这一瓶颈问题，需要进一步的优化方案。
纤维增强聚合物基复合材料，其具有高机械性能，轻量化的特点，能通过改变特定区域的纤维排布与纤维含量，实现定制化功能，在各种工业化场景中发挥重要作用，这对于熔融沉积的工业化应用提供了切实的解决方案，而熔融沉积对具有复杂结构和混杂材料产品的生产制造也提供了灵活快速的实现方式。实现纤维复合材料复合材料的熔融沉积制造，是很具前景的研究方向。
目前对于连续纤维增强复合材料的熔融沉积制造，已有相关的研究，如专利号为CN201410469682.0和CN201410325650.3的均使用螺杆送料在喷嘴处实时复合，但是连续纤维与基体之间的共混区域很小，复合时间较短，复合的压力也不足，均无法保证纤维基体间的有效浸渍，造成内部孔隙，界面松散，影响打印产品的机械强度，另一方面，打印过程中纤维基体之间的不良接触会导致内部流动状态的不稳定，影响挤出的顺畅程度，甚至堵塞喷头。
专利号为CN201710588870.9的专利中公开了一种使用光敏树脂预浸反应的装置，但是其引入第三相材料，引入的光敏树脂在高温下可能蒸发而失效，无法应用其与高熔点聚合物基体如PEEK材料进行复合。当前的3d打印中浸渍效果一直没能得到有效的保证，难以将连续纤维复合材料打印进行推广应用。
传统连续纤维聚合物基复合材料的制备方法中，较为常规的溶液浸渍，粉末浸渍和熔融浸渍这3类，其中溶液浸渍中溶剂需加工后完全去除，溶剂一般也具有一定毒性与污染性。粉末浸渍涉及高要求的聚合物粉材，粉末的制备比较不方便，而且在加工中粉末材料经常散耗，造成浪费。熔融浸渍将打散的连续纤维通过聚合物基材料熔体，在聚合物在熔体的状态下在压力作用下渗透填充纤维中的空隙完成复合。随后牵拉抽出，冷却得到预浸渍完备的材料。该工艺方式较为简单，能在一定时间内连续生产预浸料，最适合应用于熔融沉积的生产场景中，而常规熔融沉积打印材料为丝材，主流直径为1.75mm-3mm，制备的预浸料会小于该直径。传统熔融浸渍的加工设备较大，制备的预浸料也无法直接应用于熔融沉积这一相对小型的场景，解决好浸渍设备的小型化是将熔融浸渍应用于3d打印的关键。
熔融浸渍目前主流的实现方式的弯曲流道，在小型场景中对浸渍设备设计弯曲流道，加工困难而且效果难以保证。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种多偏心辊子浸渍复合的连续纤维熔融沉积挤出喷头结构，通过设计浸渍料仓，以及偏心辊子组成的浸渍调节机构，解决了现有实时共混连续纤维复合材料3d打印中增强纤维与基体材料之间的浸渍不良的问题。使用本发明可优化连续纤维3d打印产品的打印质量，拓展3d打印产品在工业级上的应用。
本发明所采用的技术方案是：
本发明包括螺杆电机、螺杆部分料仓、浸渍料仓和共混喷头加热仓；螺杆部分料仓、浸渍料仓、共混喷头加热仓沿挤出工序流向从上到下依次布置并衔接，螺杆电机安装在螺杆部分料仓，螺杆部分料仓和浸渍料仓内均充有聚合物熔体，连续纤维和聚合物粒料从螺杆部分料仓入口进入，在螺杆电机工作下混合聚合物熔体初步复合共挤出形成初步聚合材料；初步聚合材料进入浸渍料仓后经加热熔融后再经连续纤维导管进入共混喷头加热仓的一个入料口，共混喷头加热仓设有另一个入料口，另一个入料口连接聚合物导管，从聚合物导管加入聚合物丝材，经共混喷头加热仓热熔复合挤出复合挤出丝。
所述的浸渍料仓内部设有多个偏心辊子，多个偏心辊子在浸渍料仓内沿挤出工序流向从上到下依次间隔布置，多个偏心辊子绕自身的偏心轴旋转。
多个偏心辊子沿挤出工序流向从上到下在浸渍料仓内部竖直中心线的两侧交替布置，且每个偏心辊子的偏心轴靠近在浸渍料仓内部竖直中心线的两侧旁。
所述的浸渍料仓的外壁设有加热块。
所述的连续纤维导管设置在共混喷头加热仓的一个入料口。
所述的共混喷头加热仓和浸渍料仓的出口之间设有送料轮，从浸渍料仓处理的丝料经送料轮抽出送入共混喷头加热仓。
连续纤维复合材料其浸渍机理就是聚合物熔体渗入浸透到纤维束中，这一过程符合多孔介质中的液体流动，遵循达西定律，为保证浸渍率的提升，其关键的影响因素为浸渍过程中的纤维-基体接触面积和压力。本发明设计使用浸渍调节机构为偏心辊子辊子，辊子安装在浸渍料仓内，浸渍料仓上开通孔让偏心辊子的轴伸到外面，依照加工需要可由电机或者手动带动其转动，改变空腔内连续纤维在偏心辊子上的包覆角，如图3和图1左边部分所示，进而改变连续纤维与辊子之间楔形区域的形状，该区域中纤维为运动件而辊子为静止件，当纤维在辊子上的包覆角变大时，纤维与基体之间压力区域的接触面积也随之增大，接触压力也相应的增大。这样使得聚合物熔体能更加充分的浸透纤维内部。
本发明在中部分的浸渍料仓内置多个偏心辊子，其形状设计为圆柱鼓形，加工时转动偏心轮以实时调整浸渍效果。
本发明的有益效果是：
本发明解决了现有实时共混连续纤维复合材料3d打印中增强纤维与基体材料之间的浸渍不良的问题，通过偏心辊子转动使得纤维丝料在辊子间的接触区域与包覆角随之变化，实时调节丝料的浸渍程度，使得两种材料能结合不同的状况进行调整变化复合。
本发明通过偏心辊子处理能在加工过程中能实时有效地调整连续纤维与聚合物基体材料之间浸渍程度来获得复合效果较好的打印产品为目的，连续纤维会自然地在其表面由团聚状分散开，有利于聚合物熔体与连续纤维的复合，促进聚合物熔体与连续纤维的复合，获得浸渍完备，复合效果良好的挤出丝。
本发明是在连续纤维熔融沉积3d打印的生产中应用高效可靠的浸渍工艺，使得打印时挤出丝材中纤维与基体材料相互之间充分浸润，提升纤维-基体间的界面性能，进而提升打印产品的机械强度，推动连续纤维复合材料熔融沉积打印的广泛应用。
附图说明
图1为本发明的结构工作状态变化示意图；
图2为本发明的连续纤维状态历经图；
图3为本发明的浸渍原理图；
图3(a)为本发明的浸渍过程示意图；
图3(b)为图3(a)的局部放大图；
图4为偏心辊子形状示意图；
图5为本发明工作流程图。
图中：1螺杆电机，2连续纤维，3螺杆部分料仓，4浸渍料仓，5聚合物粒料，6加热块A，7送料轮，8连续纤维导管，9共混喷头加热块，10挤出丝，11聚合物导管，12聚合物丝材，13偏心辊子。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，装置包括螺杆电机1、螺杆部分料仓3、浸渍料仓4和共混喷头加热仓9；螺杆部分料仓3、浸渍料仓4、共混喷头加热仓9沿挤出工序流向从上到下依次布置并衔接，螺杆电机1安装在螺杆部分料仓3，螺杆部分料仓3 和浸渍料仓4内均充有聚合物熔体，连续纤维2和聚合物粒料5从螺杆部分料仓3入口进入，在螺杆电机1工作下混合聚合物熔体初步复合共挤出形成初步聚合材料；初步聚合材料进入浸渍料仓4后经加热熔融后再经连续纤维导管8 进入共混喷头加热仓9的一个入料口，共混喷头加热仓9设有另一个入料口，另一个入料口连接聚合物导管11，从聚合物导管11加入聚合物丝材12，经共混喷头加热仓9热熔复合挤出复合挤出丝10。
浸渍料仓4内部设有多个偏心辊子13，多个偏心辊子13在浸渍料仓4内沿挤出工序流向从上到下依次间隔均匀布置，多个偏心辊子13绕自身的偏心轴旋转。
多个偏心辊子13沿挤出工序流向从上到下在浸渍料仓4内部竖直中心线的两侧交替布置，且每个偏心辊子13的偏心轴靠近在浸渍料仓4内部竖直中心线的两侧旁。
图1中的右侧为工作前的初始状态，左侧是有效工作的状态。
如图1右侧所示，初始状态为，当各个偏心辊子13的偏心远端均旋转到距离浸渍料仓4内部竖直中心线最远时，各个偏心辊子13的偏心近端表面均和浸渍料仓4内部竖直中心线相切，这样使得经过的丝料沿内部竖直中心线贴合各个偏心辊子13的偏心近端表面地经过浸渍料仓4。
如图1左侧所示，工作状态为，各个偏心辊子13的偏心远端均旋转到距离浸渍料仓4内部竖直中心线最远位置的对称另一侧，角度相比图1右侧为180 度，这样使得经过的丝料沿S形绕经各个偏心辊子13的偏心近端表面地经过浸渍料仓4。
偏心辊子13，安置于浸渍料仓内部，在电机或是人工带动下偏心辊子13的转动使得纤维在辊子间的接触区域与包覆角随之变化，进而实时调节丝料的浸渍程度，使得两种材料能结合不同的状况进行调整变化复合。
偏心辊子13形状设计为中部略微凸起的圆柱鼓状结构，便于将连续纤维由束状展开为带状，当辊子转动时连续纤维会自然地在其表面由团聚状分散开，有利于聚合物熔体与连续纤维的复合。
连续纤维2和聚合物粒料5在初步复合时通常有不均匀复合的情况，通过浸渍料仓4内的偏心辊子13能调整浸渍程度，并且促进聚合物熔体与连续纤维的复合。
浸渍料仓4的外壁设有加热块6。
连续纤维导管8设置在共混喷头加热仓9的一个入料口。
共混喷头加热仓9和浸渍料仓4的出口之间设有送料轮7，从浸渍料仓4处理的丝料经送料轮7抽出送入共混喷头加热仓9。由此螺杆部分料仓3、浸渍料仓4、共混喷头加热仓9呈竖直放置，经过预浸的丝料在送料轮的作用下从浸渍料仓中抽出，送入下方共混喷头。送料轮在浸渍料仓的出料口后方，提供一定的压实作用，进一步使纤维基体复合致密，同时将预浸丝料不断牵出送到下部喷头，连续纤维与基体之间的复合效果流程示意如图2所示。
图2中，聚合物熔体(灰色)与连续纤维(黑色)两相材料的复合状态历经如图2上图所示，其截面细节如图2下图所示，A处的连续纤维束为刚刚通过螺杆转轴中空部分后与聚合物接触的状态，宏观形态仍然为团聚的束状。在送料轮7的牵拉下，以及偏心辊子13的部分转动作用下，团聚的束状的连续纤维将在张力作用下分散开来，形成如B处所示的状态，同时聚合物熔体在偏心辊子13和连续纤维2之间的包覆角形成的压力作用下，可以压入纤维的内部，通过这样的一组偏心辊子之后，聚合物熔体与连续纤维之间的复合效果不断提升，如C,D,E所示，聚合物熔体能较完全地浸渍到连续纤维中。最后，送料轮7 牵拉着复合好的材料，由于出口的圆锥窄口将连续纤维再次集聚为束状，这时的纤维束内部浸渍良好，而且外部包裹着均匀的聚合物基体材料。
图3中，连续纤维2与偏心辊子13之间的包覆角区域之间的细节显示，两者在包覆角区域形成了一个楔形区域，在该处的聚合物熔体与连续纤维之间将受到如图3所示的压力分布作用，在这个压力分布区域的作用下，熔体有效地浸渍到了纤维内部。
如图5所示，本发明的实施工作过程是：
如图1所示，螺杆电机1和螺杆部分料仓3组成本装置的上部分，连续纤维2先通过螺杆部分料仓3上的开口随后进入螺杆电机1的转轴的中空部分，进入下方的聚合物熔体中。聚合物粒料5放置于螺杆部分料仓3，便于补料，它被螺杆送入下方，压实热熔为聚合物熔体。
连续纤维进入螺杆部分料仓后，进入中空的电机带动的螺杆轴中，随后与下方的聚合物熔体接触，螺杆将聚合物粒料压实输送，使其在螺杆部分料仓中受热熔融且送入下方的浸渍料仓，使得聚合物熔体充盈在浸渍料仓的空腔内，同时保证模具内部熔体有一定的内压。
浸渍料仓4在螺杆部分料仓的下方，在加工中聚合物熔体和初步聚合材料在螺杆电机1的螺杆作用下不断进入其中，偏心辊子13安装在浸渍料仓4的空腔内，偏心辊子13使用电机或是人工进行转动，实现纤维带在料仓内的浸渍程度实时调节。
浸渍料仓进入由螺杆部分料仓送来的连续纤维，另一端的出料口为圆形，模具的内腔体由大容积过渡到出口的小尺寸圆柱型口模。这样使得牵拉连续纤维时让纤维从带状集聚为圆柱的浸渍完毕的丝料。浸渍料仓上方安装螺杆送料机构，使用聚合物基体颗粒料，使得聚合物熔体充盈在空腔内，保证模具内部熔体有一定的内压。
共混喷头加热仓9在送料轮下方一定距离，设有两个入料口，上方中央送入预浸好的丝料，侧边方向送入聚合物丝材12，在共混喷头加热仓9中热熔复合，随后挤出复合好的连续纤维热熔丝材料，实现复合丝材的挤出打印。
预浸丝料进入下方的共混喷头加热仓9中，侧方入料口送入聚合物基体材料，此时连续纤维经过预浸渍，基体材料已经渗透包覆好纤维束，内部致密，因而在此处的共混中保证了较好的复合效果，使得挤出的打印丝对中和浸渍性得到保证，提高复合材料打印件的产品质量。
工作过程如图5，螺杆电机启动送料，料仓开始加热，纤维通过螺杆电机轴内与聚合物熔体接触，聚合物粒料在螺杆带动下进入下方压实并且受热熔化，与；连续纤维接触后进入浸渍料仓，偏心辊子根据需要转动调节，以便实时改变浸渍效果，在浸渍料仓腔体内经过充分浸润后被送料轮夹紧拉出，送到下方的共混喷头中，共混喷头侧面同时送入基体材料。再一次与基体材料熔体一同挤出，获得复合效果良好的打印丝，结束打印。
Claims (6)
1.一种偏心多辊子浸渍复合的纤维丝熔融沉积挤出打印喷头装置，其特征在于：包括螺杆电机(1)、螺杆部分料仓(3)、浸渍料仓(4)和共混喷头加热仓(9)；螺杆部分料仓(3)、浸渍料仓(4)、共混喷头加热仓(9)沿挤出工序流向从上到下依次布置并衔接，螺杆电机(1)安装在螺杆部分料仓(3)，螺杆部分料仓(3)和浸渍料仓(4)内均充有聚合物熔体，连续纤维(2)和聚合物粒料(5)从螺杆部分料仓(3)入口进入，在螺杆电机(1)工作下混合聚合物熔体初步复合共挤出形成初步聚合材料；初步聚合材料进入浸渍料仓(4)后经加热熔融后再经连续纤维导管(8)进入共混喷头加热仓(9)的一个入料口，共混喷头加热仓(9)设有另一个入料口，另一个入料口连接聚合物导管(11)，从聚合物导管(11)加入聚合物丝材(12)，经共混喷头加热仓(9)热熔复合挤出复合挤出丝(10)。
2.根据权利要求1所述的一种偏心多辊子浸渍复合的纤维丝熔融沉积挤出打印喷头装置，其特征在于：所述的浸渍料仓(4)内部设有多个偏心辊子(13)，多个偏心辊子(13)在浸渍料仓(4)内沿挤出工序流向从上到下依次间隔布置，多个偏心辊子(13)绕自身的偏心轴旋转。
3.根据权利要求2所述的一种偏心多辊子浸渍复合的纤维丝熔融沉积挤出打印喷头装置，其特征在于：多个偏心辊子(13)沿挤出工序流向从上到下在浸渍料仓(4)内部竖直中心线的两侧交替布置，且每个偏心辊子(13)的偏心轴靠近在浸渍料仓(4)内部竖直中心线的两侧旁。
4.根据权利要求1所述的一种偏心多辊子浸渍复合的纤维丝熔融沉积挤出打印喷头装置，其特征在于：所述的浸渍料仓(4)的外壁设有加热块(6)。
5.根据权利要求1所述的一种偏心多辊子浸渍复合的纤维丝熔融沉积挤出打印喷头装置，其特征在于：所述的连续纤维导管(8)设置在共混喷头加热仓(9)的一个入料口。
6.根据权利要求1所述的一种偏心多辊子浸渍复合的纤维丝熔融沉积挤出打印喷头装置，其特征在于：所述的共混喷头加热仓(9)和浸渍料仓(4)的出口之间设有送料轮(7)，从浸渍料仓(4)处理的丝料经送料轮(7)抽出送入共混喷头加热仓(9)。
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