CN112976567B - 一种空心填充复合材料丝材的多功能增材制造装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空心填充复合材料丝材的多功能增材制造装置及方法，包括送丝管，所述送丝管上段直径均匀，下段直径渐缩，所述送丝管直径渐缩段的外侧设置有加热块，所述送丝管中穿插有空心基材，所述空心基材通过导丝轮导向伸入送丝管中，还包括自动填充装置，所述自动填充装置包括混料腔，混料腔上设置有进料口及出料口，所述出料口穿插在送丝管直径均匀段和直径渐缩段的交界处，且出料口的上部设置有能够将空心基材侧壁剖开的刀片。本发明可根据不同区域材料的需求，对空心基材内部进行材料填充，实现打印不同区域时，材料种类和比例灵活可控。

Description

一种空心填充复合材料丝材的多功能增材制造装置及方法
技术领域
本发明涉及熔融沉积技术领域，具体涉及一种空心填充复合材料丝材的多功能增材制造装置及方法。
背景技术
当前在对复合材料进行加工时，大多只能加工预制好的某一种复合材料，很难对多种复合材料进行实时制备和一体化加工，加工出的部件性能比较单一。通常为了满足不同区域的性能需求，需要使用高性能复合材料进行加工，对高性能材料造成了极大的浪费。
随着增材制造技术的发展，为多种复合材料的实时制备和一体化制造提供了一种思路，可以根据需求，实时改变复合材料的种类，实现多种复合材料的分区域增材制造，有效的实现了特定区域的功能设计，保障了在不同区域内，拥有符合实际需求的强度、电磁屏蔽、耐高温等性能，使零件的多功能制造成为可能。然而，当前在对复合材料进行分区域增材制造时，仍然不够完善，存在着很多问题。首先，高聚物基质材料在加入增强体，成为复合材料的过程中，需要充分考虑材料混合过程的分散特性和团聚现象，材料制备工艺普遍较为复杂，难以实现均匀材料的实时制备，容易产生复合材料内部组分不均匀的问题；其次，增强材料的加入，通常使复合材料粘结强度降低，在材料沉积过程中，容易造成较差的层间粘合效果，严重影响了Z方向的力学性能，同时，多种复合材料之间浸润性具有显著差异，又影响了不同材料间的粘结强度，限制了材料过渡区域的力学性能；最后，不同材料的制造条件存在差异，需要根据材料性质的不同，对温度进行调控，避免由于温度不匹配，对制造过程产生不利的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空心填充复合材料丝材的多功能增材制造装置及方法，以克服现有技术存在的缺陷，本发明可根据不同区域材料的需求，对空心基材内部进行材料填充，实现打印不同区域时，材料种类和比例灵活可控。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种空心填充复合材料丝材的多功能增材制造装置，包括送丝管，所述送丝管上段直径均匀，下段直径渐缩，所述送丝管直径渐缩段的外侧设置有加热块，所述送丝管中穿插有空心基材，所述空心基材通过导丝轮导向伸入送丝管中，还包括自动填充装置，所述自动填充装置包括混料腔，混料腔上设置有进料口及出料口，所述出料口穿插在送丝管直径均匀段和直径渐缩段的交界处，且出料口的上部设置有能够将空心基材侧壁剖开的刀片。
进一步地，所述空心基材采用空心PEEK管。
进一步地，所述空心基材的壁厚为0.2mm，直径为1mm。
进一步地，所述送丝管的直径均匀段的直径为1.2mm；所述送丝管的直径渐缩段末端的直径为0.8mm。
进一步地，所述送丝管的直径渐缩段末端的下部设置有基板。
一种空心填充复合材料丝材的多功能增材制造方法，包括以下步骤：
步骤一：将填充材料通过进料口送入自动填充装置的混料腔；
步骤二：空心基材在导丝轮的作用下，送入送丝管，在进入加热块所在区域前，刀片将空心基材侧壁剖开，自动填充装置将选用的填充材料实时填充到空心基材中；
步骤三：包有填充材料的空心基材在到达加热块时，外层的空心基材在加热条件下变成熔融态，随着送丝管管径的渐缩，熔融基质紧密的包裹住内部的填充材料，减少填充材料之间的空隙并排出内部空气，在送丝管末端喷嘴处，包裹着填充材料的熔融基质被挤出，沉积在基板或已经沉积在基板上的沉积层上，形成具有填充结构的复合材料。
进一步地，所述填充材料为单一填充材料或由多种填充材料混合形成的复合填充材料。
进一步地，当填充材料为单一填充材料时，所述自动填充装置用于将单一填充材料送入空心基材中；
当填充材料为复合填充材料时，所述自动填充装置用于将复合填充材料混合均匀后送入空心基材中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明装置用于制造具有填充结构特点的复合材料丝材，通过在空心基材内部填充不同的材料，可以满足增材制造过程中不同区域对性能的特异性需求，实现复合材料的分区域制造；使用填充结构制备复合材料，有效的改善了基质材料和增强体材料的均匀性问题，有利于复合材料的实时制备；使用熔融的外层基质材料进行粘结，改善了不同复合材料沉积时，由于不浸润、粘度差导致的粘结强度不足的问题；成型过程主要在于控制薄壁丝材的熔融，保证内部材料可以被充分包裹，所需的温度条件比较单一，避免了沉积不同复合材料时，温度的匹配问题，保障了制造的顺利进行。
另外，自动填充装置的头部安装有锋利的刀片，可以随着空心基材的进给，将空心基材的一侧进行同步开槽，保证填充头可以进入空心基材内部，实现材料的填充，开槽的空心基材在通过填充头后，随着送丝管管径的变小，会自动闭合，将填充材料包住，防止了填充材料的外泄。
进一步地，本发明的空心基材采用空心PEEK管，在到达加热块时，外层的薄壁基质材料(PEEK管)在高温环境下会变成熔融态，随着该区域管径的进一步缩小，熔融基质紧密的包裹住内部的填充材料，减少填充材料之间的空隙并排出内部空气，在喷嘴处，包裹着复合材料的熔融基质被挤出。
本发明方法可根据不同区域材料的需求，对空心基材内部进行材料填充，实现打印不同区域时，材料种类和比例灵活可控。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体结构示意图。
其中，1、空心基材；2、送丝管；3、自动填充装置；4、第一填充材料；5、第二填充材料；6、加热块；7、熔融态基材；8、导丝轮；9、沉积层；10基板。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：
一种空心填充复合材料丝材的多功能增材制造装置，包括送丝管2，所述送丝管2上段直径均匀，下段直径渐缩，所述送丝管2的直径均匀段的直径(内径)为1.2mm；所述送丝管2的直径渐缩段末端的直径(内径)为0.8mm，所述送丝管2直径渐缩段的外侧设置有加热块6，所述送丝管2中穿插有空心基材1，所述空心基材1采用空心PEEK管，所述空心基材1的壁厚为0.2mm，直径(内径)为1mm，所述空心基材1通过导丝轮8导向伸入送丝管2中，还包括自动填充装置3，所述自动填充装置3包括混料腔，混料腔上设置有进料口及出料口，所述出料口穿插在送丝管2直径均匀段和直径渐缩段的交界处，且出料口的上部设置有能够将空心基材1侧壁剖开的刀片，所述送丝管2的直径渐缩段末端的下部设置有基板10。
一种空心填充聚合物复合材料丝材的多功能增材制造方法，包括以下步骤：
1)综合考虑零部件的力学性能、导电性能、摩擦性能等需求，选用符合性能指标的填充材料组合，将填充材料的打印路径、组成、配比等与相应的性能指标进行匹配，根据不同区域的性能需求，实时选用最能满足需求的成型路径、材料类型和比例；
2)空心基材1在导丝轮8的作用下，送入送丝管2，在进入加热区域前，将选用的材料通过自动填充装置3实时填充到空心基材1中；其中，自动填充装置3具有混合材料的功能，既可以将单一物质填充入空心基材1中，又可以通过混合搅拌功能，将多种物质通过物理、熔融等多种方法混合均匀后，填入空心基材1；自动填充装置3的头部安装有锋利的刀片，可以随着空心基材1的进给，将空心基材1的一侧进行同步开槽，保证填充头可以进入空心基材1内部，实现材料的填充，开槽的空心基材1在通过填充头后，随着送丝管2管径的变小，会自动闭合，将填充材料包住，防止了填充材料的外泄；
3)包有填充材料的空心基材1，在到达加热块6时，外层的薄壁基质材料在高温环境下会变成熔融态，随着该区域管径的进一步缩小，熔融基质紧密的包裹住内部的填充材料，减少填充材料之间的空隙并排出内部空气，在喷嘴处，包裹着复合材料的熔融基质被挤出，会沉积在基板10或沉积层9上，形成具有填充结构的复合材料。
所述的步骤2)中自动填充装置的头部安装有锋利的刀片，可以随着空心管的进给，将空心管的一侧进行同步开槽，保证填充头可以进入空心管内部，实现材料的填充，开槽的空心管在通过填充头后，随着送丝管路管径的变小，会自动闭合，将填充材料包住，防止了填充材料的外泄。
下面结合附图和实施例对本发明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。
本实施例中，以PEEK基质材料打印吸波结构为例，如图1所示，一种空心填充聚合物复合材料丝材的多功能增材制造方法，包括以下步骤：
1)综合考虑吸波结构的电磁参数、力学性能的需求，对当前常见的吸波材料进行筛选。吸波结构部分需要具备强大的电磁吸收性能，通常要求介电常数虚部或磁导率虚部更大，力学性能要求相对较低，因此根据需求该区域选择介电常数虚部较大的第一填充材料4；外壳部分需要透波性能好，能够承担支撑作用，因此根据需求该区域选择介电常数和磁导率相近、力学性能优秀的第二填充材料5。为实现性能更好的过渡，在外壳和吸波结构之间选用第一填充材料4、第二填充材料5的复合材料作为填充材料；
2)将选用的材料通过自动填充装置3实时填充到壁厚0.2mm、管径1mm的空心PEEK管中，自动填充装置3具有混合材料的功能，既可以将单一填充材料或复合填充材料填入空心PEEK管中，又可以通过混合搅拌，将第一填充材料4和第二填充材料5混合均匀后，填入空心PEEK管。空心PEEK管在导丝轮8的作用下，送入送丝管2，在经过自动填充装置3的头部时，锋利的刀片将空心PEEK管1的一侧同步开槽，保证填充头可以进入空心PEEK管1内部，实现材料的填充。开槽的空心PEEK管1在通过填充头后，随着送丝管2管径的变小，会自动闭合，将填充材料包住，防止了填充材料的外泄；
3)包有填充材料的PEEK空心管，在到达加热块6时，外层的薄壁基质材料在高温环境下会变成熔融态，该区域送丝管发生渐缩，直径逐渐从入口处的1.2mm向渐缩段末端0.8mm过渡，熔融基质紧密的包裹住内部的填充材料，材料由于挤压作用会使材料更为致密，气泡可以被挤出，包裹材料的熔融态基材7会沉积在基板10或沉积层9上，形成具有填充结构的复合材料。
本发明提出了一种具有填充结构特点的复合材料丝材，通过在空心基材内部填充不同的材料，可以满足增材制造过程中不同区域对性能的特异性需求，实现复合材料的分区域制造；使用填充结构制备复合材料，有效的改善了基质材料和增强体材料的均匀性问题，有利于复合材料的实时制备；使用熔融的外层基质材料进行粘结，改善了不同复合材料沉积时，由于不浸润、粘度差导致的粘结强度不足的问题；成型过程主要在于控制薄壁丝材的熔融，保证内部材料可以被充分包裹，所需的温度条件比较单一，避免了沉积不同复合材料时，温度的匹配问题，保障了制造的顺利进行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种空心填充复合材料丝材的多功能增材制造装置，其特征在于，包括送丝管(2)，所述送丝管(2)上段直径均匀，下段直径渐缩，所述送丝管(2)直径渐缩段的外侧设置有加热块(6)，所述送丝管(2)中穿插有空心基材(1)，所述空心基材(1)通过导丝轮(8)导向伸入送丝管(2)中，还包括自动填充装置(3)，所述自动填充装置(3)包括混料腔，混料腔上设置有进料口及出料口，所述出料口穿插在送丝管(2)直径均匀段和直径渐缩段的交界处，且出料口的上部设置有能够将空心基材(1)侧壁剖开的刀片。
2.根据权利要求1所述的一种空心填充复合材料丝材的多功能增材制造装置，其特征在于，所述空心基材(1)采用空心PEEK管。
3.根据权利要求1所述的一种空心填充复合材料丝材的多功能增材制造装置，其特征在于，所述空心基材(1)的壁厚为0.2mm，直径为1mm。
4.根据权利要求1所述的一种空心填充复合材料丝材的多功能增材制造装置，其特征在于，所述送丝管(2)的直径均匀段的直径为1.2mm；所述送丝管(2)的直径渐缩段末端的直径为0.8mm。
5.根据权利要求1所述的一种空心填充复合材料丝材的多功能增材制造装置，其特征在于，所述送丝管(2)的直径渐缩段末端的下部设置有基板(10)。
6.一种空心填充复合材料丝材的多功能增材制造方法，采用权利要求1-5任一项所述的一种空心填充复合材料丝材的多功能增材制造装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将填充材料通过进料口送入自动填充装置(3)的混料腔；
步骤二：空心基材(1)在导丝轮(8)的作用下，送入送丝管(2)，在进入加热块(6)所在区域前，刀片将空心基材(1)侧壁剖开，自动填充装置(3)将选用的填充材料实时填充到空心基材(1)中；
步骤三：包有填充材料的空心基材(1)在到达加热块(6)时，外层的空心基材在加热条件下变成熔融态，随着送丝管(2)管径的渐缩，熔融基质紧密的包裹住内部的填充材料，减少填充材料之间的空隙并排出内部空气，在送丝管(2)末端喷嘴处，包裹着填充材料的熔融基质被挤出，沉积在基板(10)或已经沉积在基板(10)上的沉积层(9)上，形成具有填充结构的复合材料。
7.根据权利要求6所述的一种空心填充复合材料丝材的多功能增材制造方法，其特征在于，所述填充材料为单一填充材料或由多种填充材料混合形成的复合填充材料。
8.根据权利要求7所述的一种空心填充复合材料丝材的多功能增材制造方法，其特征在于，当填充材料为单一填充材料时，所述自动填充装置(3)用于将单一填充材料送入空心基材(1)中；
当填充材料为复合填充材料时，所述自动填充装置(3)用于将复合填充材料混合均匀后送入空心基材(1)中。
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