CN113119446A - 一种具有自清洁功能的连续纤维增强复合材料3d打印头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有自清洁功能的连续纤维增强复合材料3D打印头，涉及3D打印技术领域，其包括加热组件、固定组件和金属毛细管，所述加热组件包括至少两个叠放的加热块，相邻加热块之间设隔热层，加热组件通过固定组件固定成一整体；所述金属毛细管从上至下贯穿加热组件，设金属毛细管的两端分别为上进料端和下出料端，下出料端作为喷嘴伸出加热组件。本发明将送料通道与成型通道一体化，彻底消除了打印头中的动力学死角。同时，通过将送料通道的尺寸设计为与丝材直径配合，让丝材在运动过程中剥离停留时间较长的树脂和带出可能形成的残渣，实现了自清洁的功能。相对现有技术而言，本发明有效地解决了现有喷嘴容易被堵塞的技术问题。

Description

一种具有自清洁功能的连续纤维增强复合材料3D打印头
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别是连续纤维增强复合材料的3D打印技术领域，具体地说涉及一种具有自清洁功能的连续纤维增强复合材料3D打印头。
背景技术
连续纤维增强复合材料的3D打印主要有两种模式：一是在线浸渍，树脂丝材和纤维干纱从两处进入打印头，在打印头内实现熔融浸渍。二是离线浸渍，预先在浸渍模具内对纤维进行熔融浸渍制备出3D打印专用的预浸丝材，然后直接对预浸丝材进行3D打印。一般认为，采用预浸丝材的打印模式纤维和树脂的浸渍效果更好，界面性能更优。
目前，对于预浸丝材的3D打印并没有特定的打印头结构设计，常见的打印头仍然是喷嘴与加热块采用螺纹连接的结构，且加热块内部有一个堆积树脂的腔室。这种结构对于3D打印常见的材料，例如PLA、ABS和PA可能没有什么太大的影响，但当把材料换成PPS树脂后，常见的打印头结构就无法满足要求了。这是因为PPS树脂材料有一个非常独有的特性，那就是PPS与金属的粘接性能非常好，在常用的打印头结构中，PPS树脂非常容易粘在打印通道的壁面上。并且预浸丝材的内部不可避免会有一些断纤维，这些碎纤维非常容易与粘性很好的PPS树脂结合，从而留在加热块内部腔室的死角，变成没有流动性的渣滓。随着打印进程，渣滓越积越多，最后积累到一定程度，将导致喷嘴的孔隙被堵塞，进而就会造成打印失败。
另外，现有技术中还提出了如下关于打印头的技术：
如公开号为CN105459402A的文献在2016年4月6日公开了一种用于三维打印机的打印头，包括加热块，与加热块固定连接的喉管及喷嘴，还包括与喉管共轴线设置地位于喉管内的铁氟龙管，喷嘴的熔管在靠近喷口段设置为向外扩张状的孔。该打印头在打印时，打印丝材通过铁氟龙管后直接进入喷嘴的熔管，但一旦采用喷嘴与加热块相连的形式，那么在喷嘴出口处就不可避免会有直径变小，通道变窄的结构。对于连续纤维预浸丝材，目前市面上没有直径大于1mm的，而常规喷嘴是M6的螺纹配合，也就是说该打印头所设计的类似圆柱空腔的预浸丝材受热通道直径至少是6mm，但为了保证成型精度，喷嘴出口处通道必须变窄以获得与丝材相适应的成型尺寸，不超过1.5mm，因此，该打印头结构在喷嘴通道变窄的地方依旧存在动力学死角，碎纤维结合树脂形成的残渣易在喷嘴通道变窄处堆积并对在中心运动的丝材产生挤压作用，仍然会形成较大阻力，进而严重影响连续打印进程。
又如公开号为CN110039765A的文献在2019年7月23日公开了一种3D打印机用新型打印头，其包括依次连接的散热体、喉管、加热组件和喷嘴，所述散热体包括散热基体及设置在散热基体中部的进料通道，所述喉管包括由上至下依次设置的散热段、隔热段和连接段，在隔热段和连接段中部设置有送料通道，所述加热组件包括加热块及贯通加热块顶底设置的安装通道，所述喷嘴包括喷嘴腔；所述散热段镶嵌在所述散热基体内，所述隔热段位于所述散热体与所述加热组件之间，所述连接段连接所述安装通道上部，所述喷嘴连接在所述安装通道下部。该打印头可实现“中温软化区”耗材的充分散热，且喉管的连接强度及打印头的整体刚度高，可减小喉管隔热段的壁厚，防止耗材提前熔化造成堵塞，提高了3D打印效率。但实际上，该打印头整体的送料通道是由几段圆柱结构组合而成，最下端依旧采用喷嘴与加热组件通过螺纹相连。该结构还是存在着类似问题，即送料通道的尺寸与喷嘴出口的尺寸有明显差异，在喷嘴出口，送料通道急剧变窄以达到打印喷嘴的直径。因此其仍然会导致喷嘴的孔隙被堵塞。
事实上，以上述两篇专利文献为代表的现有技术，虽然在送料通道的结构形式上类似直通圆柱空腔结构，但其依旧是与传统的打印喷嘴进行螺纹配合，换句话说，圆柱空腔结构是预浸丝材的送料通道，而打印喷嘴是预浸丝材的成型通道，其本质上仍然未能摒弃掉传统的打印喷嘴。因此在喷嘴出口处通道急剧变窄，形成动力学死角，长时间停留的树脂结合碎纤维易形成残渣，没有流动性，无法从变窄的喷嘴出口带出，久而久之造成喷嘴出口堵塞，打印失败。
另外，综合来说，现有的打印头结构是参考纯树脂的3D打印所设计，从某种意义上说，送料通道的尺寸相对于打印喷嘴的直径就是一个储料腔，在设计送料通道的尺寸时并未考虑到打印丝材的直径。因此，即使是圆柱结构的送料通道，丝材也不能在运动过程中有规律地接触壁面，起到剥离壁面树脂和带出残渣的作用，那么就还是无法解决树脂与碎纤维形成的残渣堆积造成打印持续时间有限的问题。
为此，针对PPS树脂停留时间长，并且结合碎纤维形成残渣、堵塞喷嘴出口的问题，迫切需要开发一种无树脂存储的打印头结构。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提供一种具有自清洁功能的连续纤维增强复合材料3D打印头，本发明将送料通道与成型通道一体化，彻底消除了打印头中的动力学死角。同时，通过将送料通道的尺寸设计为与丝材直径配合，让丝材在运动过程中剥离停留时间较长的树脂和带出可能形成的残渣，实现了自清洁的功能。相对现有技术而言，本发明有效地解决了现有喷嘴容易被堵塞的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种具有自清洁功能的连续纤维增强复合材料3D打印头，其特征在于：包括加热组件、固定组件和金属毛细管，所述加热组件包括至少两个叠放的加热块，相邻加热块之间设隔热层，加热组件通过固定组件固定成一整体；所述金属毛细管从上至下贯穿加热组件，设金属毛细管的两端分别为上进料端和下出料端，下出料端作为喷嘴伸出加热组件。
所述加热组件中，加热块的加热温度从上至下依次降低。
所述固定组件对称固定在加热组件两侧。
所述固定组件包括连接板和用于固定在加热块上的螺钉，连接板通过螺钉固定在加热组件上。
所述加热组件中部从上至下设有贯穿加热块和隔热层的通孔，金属毛细管通过紧固钉固定在通孔内。
所述紧固钉从加热组件的侧面进入加热块紧固金属毛细管。
所述金属毛细管的外径为3mm，内径为预浸丝材直径的1.1-1.5倍。
所述隔热层为隔热棉。
采用本发明的优点在于：
1、本发明直接使用金属毛细管作为送料通道和成型通道，并直接将金属毛细管的下端作为喷嘴使用。相当于将送料通道与成型通道一体化，彻底消除了打印头中的动力学死角。在打印过程中，预浸丝材在金属毛细管中自上而下运动，由于预浸丝材的直径与金属毛细管直径的配合关系，因此在预浸丝材自上而下运动的过程中，可以带动壁面上粘有的树脂向下运动。又由于金属毛细管从上而下是等径的，没有动力学上的死角。因此丝材在运动过程中能够剥离停留时间较长的树脂和带出可能形成的残渣，从而使得打印头具有自清洁功能。相对现有技术而言，本发明有效地解决了现有喷嘴容易被堵塞的技术问题，
2、本发明根据预浸丝材与金属毛细管的配合关系，受热通道狭窄，具有更高的加热效率，可以适当降低打印温度，减少能耗。
3、本发明将加热块与隔热棉交替叠放的结构，使各个加热块彼此隔绝，可实现分段控温。
4、本发明虽然可以顺利带出碎纤维，并且对粘壁的树脂有一定的刮擦作用，具有一定的自清洁功能，但不可避免的仍然会有树脂残留在金属毛细管壁面上。该金属毛细管等径结构使得打印头的清理工作非常方便，用合适尺寸的清理针对金属毛细管内壁进行清理即可。
附图说明：
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的主视结构示意图；
图3为图2中的A-A剖视结构示意图；
图4为本发明中金属毛细管的结构示意图；
图5为图4中M处放大后的倒角结构示意图；
图中标记为：1、金属毛细管，2、加热块，3、隔热层，4、紧固钉，5、连接板，6、螺钉。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。
实施例1
本实施例提供了一种无死角、具有自清洁功能的3D打印头，其在实际使用时能够防止喷嘴被堵塞，从而便于连续打印。如图1-3所示，其包括加热组件、固定组件和金属毛细管1，各组成的具体结构、位置及连接关系分别如下：
所述加热组件包括至少两个叠放的加热块2，加热块2可以是铝块或不锈钢块，加热块2为现有常规产品，其结构形状可与现有常规产品一致，每个加热块2都能够满足准确控制温度的功能。例如，加热块2可为方形结构，其内部可设温度传感器和加热棒，以满足加热及控温功能。
进一步的，加热块2的数量优选为三个，相邻加热块2之间设隔热层3，即加热块2与隔热层3交替叠放。隔热层3优先采用隔热棉，隔热棉起到分隔加热块2的功能，以便实现加热块2的分段控温。加热组件中，加热块2与隔热层3叠放布置后，通过固定组件固定成一整体。固定组件的结构不限，只要能将加热组件固定成一整体即可,例如可采用框形件夹持固定等。
所述加热组件的中部从上至下设有贯穿加热块2和隔热层3的通孔，即每个加热块2和每层隔热层3的中部均设有通孔，通孔的孔径为3.2mm左右。所述金属毛细管1的外径为3mm左右，与通孔的孔径相适配。金属毛细管1通过通孔从上至下贯穿并固定在加热组件内，其固定方式优先采用紧固钉4从加热组件的侧面进入加热块2紧固金属毛细管1。例如，可在至少一个加热块2的侧面开设至少一个紧固孔，然后将紧固钉4旋入紧固孔内顶紧金属毛细管1，使金属毛细管1被固定。设金属毛细管1的两端分别为上进料端和下出料端，金属毛细管1被固定后，上进料端优选与最上层的加热块2的顶面齐平，下出料端作为喷嘴伸出加热组件。
所述的金属毛细管1是最关键的结构，能够在加热块2的作用下对通过其内部的预浸丝材加热，其材料可以是铜管或不锈钢管，其内径可以根据预浸丝材的尺寸采用不同规格，基本原则是金属毛细管1的内径为预浸丝材直径的1.1-1.5倍。即金属毛细管1的内径比预浸丝材的直径大，但不能超过预浸丝材本身尺寸的50％。例如预浸丝材直径是1mm，那么优选的金属毛细管1内径就是1.2mm，若预浸丝材直径是0.8mm，那么优选的金属毛细管1内径就是1mm，以此类推。
进一步的，如图4、5所示，所述金属毛细管1的两个端口需要进行倒圆角处理，该圆角结构能够减少预浸丝材的摩擦损伤，在预浸丝材的实际打印中起至关重要的作用。
本实施例在实际使用时，将该打印头安装在普通3D打印机的X-Y运动控制机构上，就能够实现打印头在X-Y方向上的精密运动。3D打印机的底板可以实现Z方向的运动，接触到金属毛细管1的下出料端端口。该打印头取消了喷嘴与腔室结构，直接将金属毛细管1作为预浸丝材的受热通道，金属毛细管1的下出料端端口作为喷嘴。
实施例2
在实施例1的基础上，为了更好的对预浸丝材进行加热，保证预浸丝材的塑化质量，本实施例对各加热块2采用单独控温，在实际操作时，优选加热块2的加热温度从上至下依次降低。
实施例3
在实施例1或实施例2的基础上，为了更好的固定加热组件，本实施例对固定组件的结构进行了限定，如图1-3所示，所述固定组件包括连接板5和多个螺钉6，连接板5通过螺钉6固定在加热组件上。具体的，连接板5的两端分别位于最上层和最下层的加热块2侧面，每个加热块2上设有螺孔，连接板5上设有对应的螺孔，多个螺钉6分别穿过螺孔即可将连接板5固定在加热组件上。为了保证加热组件的整体稳定性，优选固定组件对称固定在加热组件两侧。
下面以PPS树脂预浸连续碳纤维丝材为例对本发明进行具体说明。
首先，将该打印头安装在普通3D打印机的X-Y运动控制机构，保证能够实现打印头在X-Y方向上的精密运动；另外，3D打印机的底板可以实现Z方向的运动并能够接触到打印头底端的金属毛细管1的下出料端端口。针对PPS树脂易粘附金属壁面的特性，长时间的高温条件会使PPS树脂发生交联，不利于连续打印，但要成功进行3D打印又需要保证一定的塑化质量，因此各加热块2采用分段控温，从上至下各加热块2的加热温度可以呈阶梯下降。例如，PPS树脂的熔点是285℃，那么从上至下各加热块2的加热温度可分别为320℃、300℃和290℃，既保证塑化质量，又能让PPS树脂整个打印过程处于较低温度。
PPS树脂预浸丝材的打印过程非常简单，PPS树脂预浸丝材通过上进料端从上而下插入金属毛细管1中，然后将各加热块2分别加热到各自设定的温度，待PPS树脂预浸丝材完成熔融塑化过程，手动将金属毛细管1的下出料端出口处的丝材弯折与底板平行，然后上升底板与之接触，此时运行3D打印的G-code文件，打印头在X-Y方向移动，熔融塑化的PPS树脂预浸丝材被压成具有一定层厚和线宽的线条并与底板粘牢，通过已粘牢部分的拖曳力不断进丝，完成3D打印过程。
采用该具有自清洁功能的3D打印头，在打印过程中可以不时观察到打印件的表面附着断纤维，并且打印结束后在金属毛细管1内没有发现树脂和碎纤维形成的不熔渣滓堵塞通道，这说明该无死角的金属毛细管1结构确实具有良好自清洁功能，可以及时将一些碎纤维带出金属毛细管1，从而可大大提升3D打印的持续时间。此外，金属毛细管1两端的倒角结构，一方面可以减小PPS树脂预浸丝材在打印过程中受到的摩擦剪切作用，另一方面也使得碎纤维从下出料端端口处更容易带出。
当然，上述内容虽然从PPS材料特性出发，但其也同样适合高温稳定性差的PPA材料和耐高温的PEEK材料。在没有对本发明的3D打印头做出创造性改造的前提下，上述材料使用类似的3D打印头结构来实现自清洁功能均属于本发明的保护范畴。

Claims (8)

1.一种具有自清洁功能的连续纤维增强复合材料3D打印头，其特征在于：包括加热组件、固定组件和金属毛细管(1)，所述加热组件包括至少两个叠放的加热块(2)，相邻加热块(2)之间设隔热层(3)，加热组件通过固定组件固定成一整体；所述金属毛细管(1)从上至下贯穿加热组件，设金属毛细管(1)的两端分别为上进料端和下出料端，下出料端作为喷嘴伸出加热组件。
2.如权利要求1所述的一种具有自清洁功能的连续纤维增强复合材料3D打印头，其特征在于：所述加热组件中，加热块(2)的加热温度从上至下依次降低。
3.如权利要求1所述的一种具有自清洁功能的连续纤维增强复合材料3D打印头，其特征在于：所述固定组件对称固定在加热组件两侧。
4.如权利要求1-3中任一项所述的一种具有自清洁功能的连续纤维增强复合材料3D打印头，其特征在于：所述固定组件包括连接板(5)和用于固定在加热块(2)上的螺钉(6)，连接板(5)通过螺钉(6)固定在加热组件上。
5.如权利要求1所述的一种具有自清洁功能的连续纤维增强复合材料3D打印头，其特征在于：所述加热组件中部从上至下设有贯穿加热块(2)和隔热层(3)的通孔，金属毛细管(1)通过紧固钉(4)固定在通孔内。
6.如权利要求1所述的一种具有自清洁功能的连续纤维增强复合材料3D打印头，其特征在于：所述紧固钉(4)从加热组件的侧面进入加热块(2)紧固金属毛细管(1)。
7.如权利要求1、2、3、5或6中任一项所述的一种具有自清洁功能的连续纤维增强复合材料3D打印头，其特征在于：所述金属毛细管(1)的外径为3mm，内径为预浸丝材直径的1.1-1.5倍。
8.如权利要求1所述的一种具有自清洁功能的连续纤维增强复合材料3D打印头，其特征在于：所述隔热层(3)为隔热棉。
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