CN113172853A - 一种3d打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置 - Google Patents

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CN113172853A CN202110415574.5A CN202110415574A CN113172853A CN 113172853 A CN113172853 A CN 113172853A CN 202110415574 A CN202110415574 A CN 202110415574A CN 113172853 A CN113172853 A CN 113172853A
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Abstract

本发明涉及3D打印材料加工技术领域。该一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置包括：多个碳纤维卷；多个所述碳纤维卷上分别卷有丝束；碳纤维原丝湿法浸润机构，用于将多路所述丝束浸润二氯甲烷‑聚乳酸溶液，而后再将丝束聚合，形成聚合后丝束；碳纤维复合材料溶剂去除机构，用于去除所述聚合后丝束外表面留有的二氯甲烷，并将去除的二氯甲烷冷却输送回所述碳纤维原丝湿法浸润机构；碳纤维复合材料干法塑形机构，用于将所述聚合后丝束表面均匀附着聚酸乳；碳纤维复合材料冷却定型机构，用于加速冷却聚酸乳，以便凝固定型；连续碳纤维复合材料成卷机构，用于将聚酸乳凝固后的所述聚合后丝束卷成卷。本发明可制备成外形较好的丝材。

Description

一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置
技术领域
本发明涉及3D打印材料加工技术领域，尤其涉及一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置。
背景技术
目前，碳纤维复合材料由于其高强度、低密度的特性，已被广泛应用于工业制造领域，被称为国家战略性材料。3D打印技术由于其增材制造的原理，具有一体成型、不受模型复杂度限制的特点。将碳纤维复合材料利用3D打印技术进行成型，并应用于工业领域，能够同时发挥其材料特性、成型方式的优势。连续碳纤维复合材料的性能对3D打印成型零部件的精度及机械性能起到了决定性的作用。
3D打印用连续碳纤维复合材料的制备主要包含两种：干法和湿法。干法即为将固态的树脂材料加热熔融，连续碳纤维原丝通过熔融的树脂材料浸润，最终形成连续碳纤维复合材料。湿法即为使用液态的化学溶剂将固态的树脂材料溶解，连续碳纤维原丝通过液态溶液浸润后，采用物理方法，将液态溶液中的树脂材料结晶析出，最终形成连续碳纤维复合材料。
两种制备方法各有优缺点，前者能够外型较为规则的复合材料线材，但熔融的树脂材料粘度较大，难以浸润到碳纤维原丝(一般原丝有数百根碳纤维细丝组成)内部，容易出现树脂和纤维材料分离的现象。后者采用溶剂的方法，能够充分浸润碳纤维丝束，但是难以制备外形较好的丝材。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明提供的一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置，解决了上述技术问题，通过将碳纤维丝束设计成为细小丝束，再采用化学溶剂方法浸润初步制备碳纤维复合材料，最后采用干法对碳纤维复合材料再次塑形。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置包括：多个碳纤维卷；多个所述碳纤维卷上分别卷有丝束；碳纤维原丝湿法浸润机构，用于将多路所述丝束浸润二氯甲烷-聚乳酸溶液，而后再将丝束聚合，形成聚合后丝束；碳纤维复合材料溶剂去除机构，用于去除所述聚合后丝束外表面留有的二氯甲烷，并将去除的二氯甲烷冷却输送回所述碳纤维原丝湿法浸润机构；碳纤维复合材料干法塑形机构，用于将所述聚合后丝束表面均匀附着聚酸乳；碳纤维复合材料冷却定型机构，用于加速冷却聚酸乳，以便凝固定型；连续碳纤维复合材料成卷机构，用于将聚酸乳凝固后的所述聚合后丝束卷成卷。
其中，所述碳纤维原丝湿法浸润机构包括：搅拌电机、搅拌叶轮、温度传感器、第一散热器、第一制冷片、浸润池和多个丝束导管；多路所述丝束由所述浸润池的一端进入所述浸润池内，并且穿过多个所述丝束导管后形成所述聚合后丝束，所述聚合后丝束进入碳纤维复合材料溶剂去除机构；所述浸润池的底部设有所述搅拌电机和温度传感器；所述搅拌电机上设有搅拌叶轮；所述浸润池的侧壁上设有多个所述第一散热器和所述第一制冷片；多个所述第一散热器和多个所述第一制冷片相对设置在侧壁的两侧相对设置，其中所述第一散热器设置在所述浸润池内，并且所述第一制冷片与所述温度传感器连接；所述浸润池内装有二氯甲烷-聚乳酸溶液，并且所述丝束导管浸没在所述二氯甲烷-聚乳酸溶液内。
其中，多个所述丝束导管包括：多个丝束分离导管和多个丝束聚合导管；多路所述丝束分别依次穿过多个所述丝束分离导管，后聚合再依次穿过多个所述丝束聚合导管进入所述碳纤维复合材料溶剂去除机构。
其中，所述碳纤维复合材料溶剂去除机构包括：冷凝器、排风风扇和加热管；所述碳纤维复合材料溶剂去除机构为密封的箱体；所述箱体内沿所述聚合后丝束的行走方向设有所述加热管；所述箱体的顶部设有与其连通的所述冷凝器，所述冷凝器远离所述箱体的一端与所述碳纤维原丝湿法浸润机构内部连通；所述冷凝器与所述箱体的连通处设有所述排风风扇。
其中，所述碳纤维复合材料干法塑形机构包括：从动轮、漏斗、挤出螺杆、料筒、加热片、聚乳酸材料、挤出电机和主动齿轮；所述挤出螺杆内部轴向设有容纳所述聚合后丝束行走的通孔，所述挤出螺杆靠近所述碳纤维复合材料溶剂去除机构的一端设有驱动所述挤出螺杆转动的所述从动轮，所述从动轮与所述主动齿轮齿合，其中所述主动齿轮连接为转动提供动力的所述挤出电机；所述挤出螺杆外部套设有所述料筒；所述料筒上设有与套筒内部连通的所述漏斗，并且所述聚乳酸材料由所述漏斗进入所述料筒内；所述料筒外壁包裹有为料筒内部的所述聚乳酸材料加热的所述加热片。
其中，所述碳纤维复合材料冷却定型机构包括：第二制冷片、第二散热器和风扇；沿所述聚合后丝束行走方向依次设有多个所述第二制冷片；所述第二制冷片下方设有用于将所述制冷片产生的冷气集中的所述第二散热器；所述第二散热器下方设有将冷气吹向所述聚合后丝束的所述风扇。
其中，所述连续碳纤维复合材料成卷机构包括：丝杆电机、丝杠螺母、丝材拨片和材料卷；所述丝杆电机上设有所述丝杠螺母；所述丝杠螺母上连接有所述丝材拨片；所述聚合后丝束经过所述丝材拨片卷在所述材料卷上。
其中，所述丝杆电机带动所述丝杠螺母沿垂直于所述聚合后丝束行走方向往复运动，以便所述丝材拨片改变所述聚合后丝束卷在所述材料卷上的位置。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置，具有如下优点：
1、多细丝束分离浸润，保证最终形成的丝材内部较好的浸润性；
2、湿法预浸润，丝束由数百根细丝束组成，能够充分浸润数百根细丝束的间隙；
3、搅拌机促进溶质的溶解且防止溶质析出沉淀；
4、制冷装置控制浸润池温度，防止二氯甲烷挥发；
5、多级聚合丝束，提高细丝束之间的粘连性；
6、升温装置，促进二氯甲烷的挥发；
7、二氯甲烷液化回收循环，减少环境污染；
8、干法螺杆熔融挤出塑形，提高线材直径度。
为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1是本发明一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置的结构示意图。
图2是本发明一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置的丝束分离导管截面示意图。
图3是本发明一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置的丝束聚合导管截面示意图。
图4是本发明一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置的丝材拨片结构示意图。
图5是本发明一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置的材料卷结构示意图。
附图标记：
1、搅拌电机；2、搅拌叶轮；3、温度传感器；4、第一散热器；5、第一制冷片；6、碳纤维卷；7、浸润池；8、丝束导管；81、丝束分离导管；82、丝束聚合导管；9、冷凝器；10、排风风扇；11、加热管；12、从动轮；13、漏斗；14、挤出螺杆；15、料筒；16、加热片；17、第二制冷片；18、第二散热器；19、风扇；20、丝杆电机；21、丝材拨片；22、材料卷；23、丝杠螺母；24、聚乳酸材料；25、挤出电机；26、主动齿轮；27、二氯甲烷-聚乳酸溶液。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。
请参阅图1-图5，一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置包括：多个碳纤维卷6；多个所述碳纤维卷6上分别卷有丝束；碳纤维原丝湿法浸润机构，用于将多路所述丝束浸润二氯甲烷-聚乳酸溶液27，而后再将丝束聚合，形成聚合后丝束；碳纤维复合材料溶剂去除机构，用于去除所述聚合后丝束外表面留有的二氯甲烷，并将去除的二氯甲烷冷却输送回所述碳纤维原丝湿法浸润机构；碳纤维复合材料干法塑形机构，用于将所述聚合后丝束表面均匀附着聚酸乳；碳纤维复合材料冷却定型机构，用于加速冷却聚酸乳，以便凝固定型；连续碳纤维复合材料成卷机构，用于将聚酸乳凝固后的所述聚合后丝束卷成卷。
需要说明的是，3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置从左到右依次为碳纤维原丝湿法浸润机构、碳纤维复合材料溶剂去除机构、碳纤维复合材料干法塑形机构、碳纤维复合材料冷却定型机构和连续碳纤维复合材料成卷机构。
进一步，所述碳纤维原丝湿法浸润机构包括：搅拌电机1、搅拌叶轮2、温度传感器3、第一散热器4、第一制冷片5、浸润池7和多个丝束导管8；多路所述丝束由所述浸润池7的一端进入所述浸润池7内，并且穿过多个所述丝束导管8后形成所述聚合后丝束，所述聚合后丝束进入碳纤维复合材料溶剂去除机构；所述浸润池7的底部设有所述搅拌电机1和温度传感器3；所述搅拌电机1上设有搅拌叶轮2；所述浸润池7的侧壁上设有多个所述第一散热器4和所述第一制冷片5；多个所述第一散热器4和多个所述第一制冷片5相对设置在侧壁的两侧相对设置，其中所述第一散热器4设置在所述浸润池7内，并且所述第一制冷片5与所述温度传感器3连接；所述浸润池7内装有二氯甲烷-聚乳酸溶液27，并且所述丝束导管8浸没在所述二氯甲烷-聚乳酸溶液27内。
需要说明的是，搅拌电机1控制搅拌叶轮2转动，进而绞动浸润池7内的二氯甲烷-聚乳酸溶液27，一方面促进溶质的溶解，另一方面防止溶质的析出沉淀。进一步的二氯甲烷-聚乳酸溶液27中使用二氯甲烷作为溶剂、聚乳酸作为溶质。
碳纤维原丝采用多路丝束相对较少的原丝，原丝缠绕在碳纤维卷6上。
温度传感器3将检测浸润池7的温度变化，若出现温度过高(临界溶剂的沸点)时，与温度传感器3电连的第一制冷片5工作，第一散热器4将第一制冷片5所产生的冷气传入浸润池7内，用于降低浸润池7内的温度，防止溶剂的挥发。
浸润池7的侧壁上设置的多个第一散热器4均匀分布在浸润池7的侧壁上，便于对浸润池7内的二氯甲烷-聚乳酸溶液27降温。
进一步，多个所述丝束导管8包括：多个丝束分离导管81和多个丝束聚合导管82；多路所述丝束分别依次穿过多个所述丝束分离导管81，后聚合再依次穿过多个所述丝束聚合导管82进入所述碳纤维复合材料溶剂去除机构。
需要说明的是，丝束分离导管81和丝束聚合导管82的数量分别为两个；三路碳纤维细原丝从碳纤维卷6拉出通过丝束分离导管81进入浸润池7，丝束分离导管81让三路丝束保持一定距离，已保证细丝束的充分浸润，在经过第2个丝束分离导管81后，三路丝束将通过丝束聚合导管82，形成一条相对较粗的丝束，以此保证了最终形成的丝束内部充分的浸润性。
进一步，所述碳纤维复合材料溶剂去除机构包括：冷凝器9、排风风扇10和加热管11；所述碳纤维复合材料溶剂去除机构为密封的箱体；所述箱体内沿所述聚合后丝束的行走方向设有所述加热管11；所述箱体的顶部设有与其连通的所述冷凝器9，所述冷凝器9远离所述箱体的一端与所述碳纤维原丝湿法浸润机构内部连通；所述冷凝器9与所述箱体的连通处设有所述排风风扇10。
需要说明的是，碳纤维复合材料溶剂去除机构为密封的箱体，避免了二氯甲烷的挥发。
箱体顶部安装有排风口，排风口处设有排风风扇10，并用排风口通过管道与浸润池7连接，导管中间安装有冷凝器9，冷凝器9的作用是将气态的二氯甲烷液化。
碳纤维聚合后丝束经过浸润池7后，内部及表面附着大量的溶液，此时碳纤维聚合后丝束通过加热管11，加热管11温度远高于二氯甲烷的沸点，二氯甲烷则迅速挥发，故碳纤维聚合后丝束表面仅附着有聚乳酸材料24。二氯甲烷挥发后，经过排风风扇10排出，并进入冷凝管，冷凝器9将气态的二氯甲烷液化，最终液态的二氯甲烷返回浸润池7，达到循环利用，减少环境污染的目的。
进一步，所述碳纤维复合材料干法塑形机构包括：从动轮12、漏斗13、挤出螺杆14、料筒15、加热片16、聚乳酸材料24、挤出电机25和主动齿轮26；所述挤出螺杆14内部轴向设有容纳所述聚合后丝束行走的通孔，所述挤出螺杆14靠近所述碳纤维复合材料溶剂去除机构的一端设有驱动所述挤出螺杆14转动的所述从动轮12，所述从动轮12与所述主动齿轮26齿合，其中所述主动齿轮26连接为转动提供动力的所述挤出电机25；所述挤出螺杆14外部套设有所述料筒15；所述料筒15上设有与套筒内部连通的所述漏斗13，并且所述聚乳酸材料24由所述漏斗13进入所述料筒15内；所述料筒15外壁包裹有为料筒15内部的所述聚乳酸材料24加热的所述加热片16。
需要说明的是，通过从动轮12、漏斗13、挤出螺杆14、料筒15、加热片16、挤出电机25和主动齿轮26组成螺杆挤出机实现碳纤维聚合后丝束形成较为均匀的线材。挤出螺杆14内部为一定直径的通孔，通孔可以允许碳纤维聚合后丝束可以通过，螺杆一端安装有传动齿轮的从动轮12，且与传动齿轮的主动轮配合，挤料电机为主动轮提供动力。料筒15外壁安装有加热片16，用于加热固体的树脂材料(聚乳酸)，同时料筒15壁安装有漏斗13，用于树脂材料的储存与加载。
碳纤维复合材料从螺杆挤出机左侧进入挤出螺杆14内部，挤出电机25带动传动齿轮(传动齿轮包括主动轮和从动轮12)转动，进而带动挤出螺杆14转动挤料，树脂材料(聚乳酸材料24)从漏斗13加入到料筒15中，加热片16对料筒15内的树脂材料加热，使得树脂材料熔融，连续碳纤维聚合后丝束从料筒15右侧拉出，在靠近料筒15出口的内部附着树脂材料，最终使得碳纤维聚合后丝束形成较为均匀的线材。
进一步，所述碳纤维复合材料冷却定型机构包括：第二制冷片17、第二散热器18和风扇19；沿所述聚合后丝束行走方向依次设有多个所述第二制冷片17；所述第二制冷片17下方设有用于将所述制冷片产生的冷气集中的所述第二散热器18；所述第二散热器18下方设有将冷气吹向所述聚合后丝束的所述风扇19。
需要说明的是，碳纤维复合材料冷却定型机构用于加速冷却聚酸乳，以便凝固定型的冷却装置，在碳纤维复合材料冷却定型机构最上方的第二制冷片17制冷，在第二散热器18处形成冷空气，风扇19将冷空气吹向碳纤维聚合后丝束。从碳纤维复合材料干法塑形过来的碳纤维聚合后丝束进入到碳纤维复合材料冷却定型机构时，受到冷空气的降温后，迅速凝固定型。
进一步，所述连续碳纤维复合材料成卷机构包括：丝杆电机20、丝杠螺母23、丝材拨片21和材料卷22；所述丝杆电机20上设有所述丝杠螺母23；所述丝杠螺母23上连接有所述丝材拨片21；所述聚合后丝束经过所述丝材拨片21卷在所述材料卷22上。
需要说明的是，丝杆电机20工作带动丝杠螺母23的前后运动(相对于附图中图1的方向)，进而带动丝材拨片21的运动，能够在碳纤维聚合后丝束成卷时，调整成卷的位置，保证成卷时聚合后丝束不会堆积在材料卷22的某一部分，而是均匀有序的成卷在材料卷22上。
进一步，所述丝杆电机20带动所述丝杠螺母23沿垂直于所述聚合后丝束行走方向往复运动，以便所述丝材拨片21改变所述聚合后丝束卷在所述材料卷22上的位置。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干温制备装置，包括：多个碳纤维卷；多个所述碳纤维卷上分别卷有丝束，其特征在于，还包括：
碳纤维原丝湿法浸润机构，用于将多路所述丝束浸润二氯甲烷-聚乳酸溶液，而后再将丝束聚合，形成聚合后丝束；
碳纤维复合材料溶剂去除机构，用于去除所述聚合后丝束外表面留有的二氯甲烷，并将去除的二氯甲烷冷却输送回所述碳纤维原丝湿法浸润机构；
碳纤维复合材料干法塑形机构，用于将所述聚合后丝束表面均匀附着聚酸乳；
碳纤维复合材料冷却定型机构，用于加速冷却聚酸乳，以便凝固定型；
连续碳纤维复合材料成卷机构，用于将聚酸乳凝固后的所述聚合后丝束卷成卷。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置，其特征在于，所述碳纤维原丝湿法浸润机构包括：搅拌电机、搅拌叶轮、温度传感器、第一散热器、第一制冷片、浸润池和多个丝束导管；多路所述丝束由所述浸润池的一端进入所述浸润池内，并且穿过多个所述丝束导管后形成所述聚合后丝束，所述聚合后丝束进入碳纤维复合材料溶剂去除机构；所述浸润池的底部设有所述搅拌电机和温度传感器；所述搅拌电机上设有搅拌叶轮；所述浸润池的侧壁上设有多个所述第一散热器和所述第一制冷片；多个所述第一散热器和多个所述第一制冷片相对设置在侧壁的两侧相对设置，其中所述第一散热器设置在所述浸润池内，并且所述第一制冷片与所述温度传感器连接；所述浸润池内装有二氯甲烷-聚乳酸溶液，并且所述丝束导管浸没在所述二氯甲烷-聚乳酸溶液内。
3.根据权利要求2所述的一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置，其特征在于，多个所述丝束导管包括：多个丝束分离导管和多个丝束聚合导管；多路所述丝束分别依次穿过多个所述丝束分离导管，后聚合再依次穿过多个所述丝束聚合导管进入所述碳纤维复合材料溶剂去除机构。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置，其特征在于，所述碳纤维复合材料溶剂去除机构包括：冷凝器、排风风扇和加热管；所述碳纤维复合材料溶剂去除机构为密封的箱体；所述箱体内沿所述聚合后丝束的行走方向设有所述加热管；所述箱体的顶部设有与其连通的所述冷凝器，所述冷凝器远离所述箱体的一端与所述碳纤维原丝湿法浸润机构内部连通；所述冷凝器与所述箱体的连通处设有所述排风风扇。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置，其特征在于，所述碳纤维复合材料干法塑形机构包括：从动轮、漏斗、挤出螺杆、料筒、加热片、聚乳酸材料、挤出电机和主动齿轮；所述挤出螺杆内部轴向设有容纳所述聚合后丝束行走的通孔，所述挤出螺杆靠近所述碳纤维复合材料溶剂去除机构的一端设有驱动所述挤出螺杆转动的所述从动轮，所述从动轮与所述主动齿轮齿合，其中所述主动齿轮连接为转动提供动力的所述挤出电机；所述挤出螺杆外部套设有所述料筒；所述料筒上设有与套筒内部连通的所述漏斗，并且所述聚乳酸材料由所述漏斗进入所述料筒内；所述料筒外壁包裹有为料筒内部的所述聚乳酸材料加热的所述加热片。
6.根据权利要求1所述的一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置，其特征在于，所述碳纤维复合材料冷却定型机构包括：第二制冷片、第二散热器和风扇；沿所述聚合后丝束行走方向依次设有多个所述第二制冷片；所述第二制冷片下方设有用于将所述制冷片产生的冷气集中的所述第二散热器；所述第二散热器下方设有将冷气吹向所述聚合后丝束的所述风扇。
7.根据权利要求1所述的一种3D打印用连续碳纤维复合材料的于湿制备装置，其特征在于，所述连续碳纤维复合材料成卷机构包括：丝杆电机、丝杠螺母、丝材拨片和材料卷；所述丝杆电机上设有所述丝杠螺母；所述丝杠螺母上连接有所述丝材拨片；所述聚合后丝束经过所述丝材拨片卷在所述材料卷上。
8.根据权利要求7所述的一种3D打印用连续碳纤维复合材料的干湿制备装置，其特征在于，所述丝杆电机带动所述丝杠螺母沿垂直于所述聚合后丝束行走方向往复运动，以便所述丝材拨片改变所述聚合后丝束卷在所述材料卷上的位置。
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