CN113386354B - 一种连续纤维与短纤维共增强树脂的3d打印装置 - Google Patents
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Abstract
一种连续纤维与短纤维共增强树脂的3D打印装置，包括放料架，放料架上的连续纤维经过第一牵引机构后进入连续纤维分散机构进行分散，分散后的连续纤维经过短纤维喷洒机构喷洒短纤维后进入铺放传送带上，铺放传送带上方设有热压滚轮，通过热压滚轮将树脂膜卷轴支架上的热塑性树脂膜热压在短纤维、连续纤维上，形成连续纤维与短纤维共增强树脂的浸渍片；浸渍片经过成丝模具在第二牵引机构牵引下成预浸丝，预浸丝经过3D打印机进行3D打印；本发明实现短纤维包裹连续纤维熔融浸渍后预浸丝的制备和打印，在连续纤维打印零件增强机械性能的基础上，进一步改善零件的层间性能，实现对零件机械性能和层间性能的增强。
Description
技术领域
本发明涉及纤维增强热塑性树脂基的复合材料3D打印技术领域，具体涉及一种连续纤维与短纤维共增强树脂的3D打印装置。
背景技术
热塑性树脂因可反复软化固化、韧性好、易储存、可重复利用、不污染环境等特性，适应当今材料环保的发展方向，广泛应用于3D打印领域。但单一树脂成型零件的力学性能较低，难以满足许多领域对高性能材料的需求，进而发展了纤维增强热塑性树脂基的复合材料打印技术。
纤维增强树脂基复合材料中的纤维在长度上可分为连续纤维、长纤维、短纤维三类，连续纤维的加入，使得在打印方向上纤维为主要承力材料，树脂为传递力的材料，极大的增强了材料的机械性能，但是会出现层间性能较差的问题。短纤维的加入对机械性能的提升不够明显，但是起到改变裂纹扩展韧性的效果，通过短纤维的拔出失效可以提高零件的韧性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种连续纤维与短纤维共增强树脂的3D打印装置，实现短纤维包裹连续纤维熔融浸渍后预浸丝的制备和打印，在连续纤维打印零件增强机械性能的基础上，进一步改善零件的层间性能，实现对零件机械性能和层间性能的增强。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种连续纤维与短纤维共增强树脂的3D打印装置，包括放料架1，放料架1上的连续纤维经过第一牵引机构8-1后进入连续纤维分散机构2进行分散，分散后的连续纤维经过短纤维喷洒机构3喷洒短纤维后进入铺放传送带4上，铺放传送带4上方设有热压滚轮6，通过热压滚轮6将树脂膜卷轴支架5上的热塑性树脂膜热压在短纤维、连续纤维上，形成连续纤维与短纤维共增强树脂的浸渍片；浸渍片经过成丝模具7在第二牵引机构8-2牵引下成预浸丝，预浸丝经过3D打印机9进行3D打印。
所述的连续纤维分散机构2的辊轮选用摩擦力小的材料，材料摩擦系数范围为0.17-0.22，并采用大的纤维包围角，纤维包围角的调整范围为90-150°；连续纤维分散机构2的上方设置风枪，风枪向下吹风，促使连续纤维纱线的分散；所述的辊轮上设有限宽挡板，限宽挡板的作用在于保持连续纤维间的间隙，以满足后续短纤维附着的要求。
所述的短纤维喷洒机构3包括料筒和喷洒板，料筒内设置有螺旋状的搅拌叶片3-1，料筒下方安装有喷洒头；将分散液与短切纤维放入料筒中，通过搅拌叶片3-1的搅拌作用，实现短纤维的充分分散；通过喷洒头将分散液和短纤维的混合液喷洒在喷洒板上的分散后的连续纤维上，短纤维附着在展开的连续纤维上方，多余的分散液从连续纤维的间隙渗透到喷洒板下方；所述的喷洒板的两端设有喷洒挡板以限制喷洒范围；所述的分散液为易挥发且不与短纤维发生反应的有机溶剂。
所述的短纤维长度根据增韧的需要，在1-5mm之间进行选择；所述的分散液中加入树脂基体制成的微米级小颗粒，在经过喷洒机构后树脂基体微米级小颗粒与短纤维一起附着在连续纤维的表面，随后在热压滚轮6的压力作用下，树脂基体微米级小颗粒熔融进入连续纤维纱线的内部，使得连续纤维纱线得到更加充分的浸润。
所述的铺放转送带4下方设置加热平板401，加热平板401使得残留的分散液完全挥发，并对连续纤维、短纤维进行预加热，有利于后续的浸渍；在完成浸渍后，加热平板401对浸渍片起到保温的作用，有利于进行后面的丝状成型。
所述的热压滚轮6设置在铺放传送带4的上方中间，带动热塑性树脂膜的移动，并在热压作用下，实现热塑性树脂膜与下方连续纤维和短纤维的熔融浸渍，形成浸渍片，浸渍片是由下向上依次为连续纤维10-1、短纤维10-2、热塑性树脂膜10-3的三层结构。
所述的连续纤维为碳纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维或其他天然纤维。
所述的热塑性树脂膜为PLA、PA或ABS等。
所述的成丝模具7整体呈弧状，入口端呈平板状，出口端为圆形，中间为逐渐过渡的形状，浸渍片在成丝模具7的作用下向内卷缩，实现成丝；在出口端增加加热装置，使得浸渍片发生软化，但未达到熔融状态，以实现浸渍片卷成预浸丝材的过程。
所述的成丝模具7的内表面为光滑表面，并涂有脱模剂，使得浸渍片能在第二牵引机构8-2的驱动下，顺利通过成丝模具7；在通过成丝模具7后，丝材呈现短纤维在外侧包裹连续纤维，热塑性树脂完全浸润纤维的状态。
与现有技术相比较，本发明具有的有益效果：
1)采用连续纤维和短纤维共同增强热塑性树脂的工艺，实现预浸丝束的制备和打印；其中短纤维包裹连续纤维，并得到热塑性树脂的充分浸润，在连续纤维提高树脂强度的同时，短纤维的存在能够进一步改善打印件的层间性能。
2)通过热塑性树脂膜进行纤维的热压熔融浸渍，使得在浸渍过程中短纤维长度得到更好的保存，短纤维的含量也能得到一定的控制；因而可以通过对短纤维长度和含量进行选择，得到不同性能的连续纤维/短纤维预浸丝。
3)成丝模具的设计，使得连续纤维/短纤维预浸丝能够实现一体成型；浸渍片在成丝模具的作用下向内卷缩，实现成丝；一体成型成丝，避免了多次添加成型带来的纤维损伤和加工困难，也使所制备的预浸丝束可直接用于3D打印。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构示意图。
图2为本发明搅拌叶片的结构示意图。
图3为本发明浸渍片的三层结构示意图。
图4为本发明成丝模具的示意图。
图5为本发明连续纤维与短纤维共增强树脂标准件弯曲强度效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的说明。
参照图1，一种连续纤维与短纤维共增强树脂的3D打印装置，包括放料架1，放料架1上的连续纤维经过第一牵引机构8-1后进入连续纤维分散机构2进行分散，分散后的连续纤维经过短纤维喷洒机构3喷洒短纤维后进入铺放传送带4上，铺放传送带4上方设有热压滚轮6，通过热压滚轮6将树脂膜卷轴支架5上的热塑性树脂膜热压在短纤维、连续纤维上，形成连续纤维与短纤维共增强树脂的浸渍片；浸渍片经过成丝模具7在第二牵引机构8-2牵引下成预浸丝，预浸丝经过3D打印机9进行3D打印。
所述的连续纤维分散机构2中辊轮选用摩擦力小的材料，材料摩擦系数范围为0.17-0.22，选材料聚甲醛(POM)，其自润滑性好，有利于减少连续纤维与辊轮之间的摩擦，分散过程中的连续纤维包围角的调整范围为90-150°；连续纤维分散机构2的上方设置风枪，风枪向下吹风，促使连续纤维纱线的分散。
所述的辊轮上设有限宽挡板，限宽挡板的作用在于防止连续纤维的分散程度过大，保持连续纤维间合适的间隙，以满足后续短纤维附着的要求。
参照图1、图2，所述的短纤维喷洒机构3包括料筒和喷洒板，料筒内设置有螺旋状的搅拌叶片3-1，料筒下方安装有喷洒头；将分散液与短切纤维放入料筒中，通过搅拌叶片3-1的搅拌作用，实现短纤维的充分分散，减少短纤维间的搭接和缠绕；通过喷洒头将分散液和短纤维的混合液喷洒在喷洒板上的分散后的连续纤维上，短纤维附着在展开的连续纤维上方，多余的分散液从连续纤维的间隙渗透到喷洒板下方。
所述的喷洒板的两端设有喷洒挡板以限制喷洒范围；分散液为易挥发且不与短纤维发生反应的有机溶剂，包括乙醇等；短纤维长度根据增韧的需要，在1-5mm之间进行选择。
所述的分散液中加入树脂基体制成的微米级小颗粒，在经过喷洒机构后树脂基体微米级小颗粒与短纤维一起附着在连续纤维的表面，随后在热压滚轮6的压力作用下，树脂基体微米级小颗粒熔融进入连续纤维纱线的内部，使得连续纤维纱线得到更加充分的浸润。
所述的铺放转送带4下方设置加热平板401，展纱后的连续纤维，在经过短纤维的喷洒后，来到铺放传送带4；连续纤维位于铺放传送带4上方，与铺放传送带4轻微接触；此时加热平板401使得残留的分散液完全挥发，并对连续纤维、短纤维进行预加热，有利于后续的浸渍；在完成浸渍后，加热平板401对浸渍片起到保温的作用，有利于进行后面的丝状成型。
所述的热压滚轮6设置在铺放传送带4的上方中间，带动热塑性树脂膜的移动，并在热压作用下，实现热塑性树脂膜与下方连续纤维和短纤维的熔融浸渍，形成浸渍片，浸渍片是由下向上依次为连续纤维10-1、短纤维10-2、树脂10-3的三层结构，如图3所示；连续纤维为碳纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维或其他天然纤维，热塑性树脂膜为PLA、PA、ABS等。
如图4所示，所述的成丝模具7整体呈弧状，入口端呈平板状，出口端为圆形，内径为1.75mm，中间为逐渐过渡的形状，浸渍片在成丝模具7的作用下向内卷缩，实现成丝；在出口端增加加热装置，使得浸渍片发生软化，但未达到熔融状态，以实现浸渍片卷成预浸丝材的过程。
所述的成丝模具7的内表面为光滑表面，并涂有脱模剂，使得浸渍片能在第二牵引机构8-2的驱动下，顺利通过成丝模具7；在通过成丝模具7后，丝材呈现短纤维在外侧包裹连续纤维，热塑性树脂完全浸润纤维的状态。
所述的第一牵引机构8-1、第二牵引机构8-2分别设置在连续纤维分散机构2前和成丝模具7后，使得工艺过程中连续纤维能保持较好的张力，为工艺过程提供牵引力。
实施例：连续纤维与短纤维均选择碳纤维，树脂选用聚乳酸(PLA)；
放料架1上的连续纤维纱线放卷进入连续纤维分散机构2，在连续纤维分散机构2中，设置辊轮之间的距离和高度，使得连续纤维包角为120°；开启风枪，使得风垂直向下吹向连续纤维丝束，在辊轮和风压的共同作用下，实现连续纤维的分散；
分散液选用75％的乙醇溶液，将短纤维放入料筒中，在搅拌叶片3-1的作用下实现短纤维的分散；
分散后的连续纤维经过短纤维喷洒机构3的喷洒板，混合好的短纤维与分散液一起喷洒在喷洒板上的连续纤维上，短纤维附着在连续纤维上方，多余分散液透过连续纤维间的间隙，滴落在喷洒板上；
完成短纤维附着后的连续纤维紧接着经过铺放转送带4，轻微接触铺放转送带4表面；铺放传送带4的上面中部设置热压滚轮6，热压滚轮6上方是PLA树脂膜卷轴支架5；在热压滚轮6的作用和铺放传送带4的配合下，热塑性树脂膜浸渍在连续纤维和短纤维上，形成浸渍片；在铺放传送带4的下方设置加热平板401，在铺放传送带4前端实现对残留分散液的蒸发，并对连续纤维、短纤维进行预热，有利于浸渍的效果；在铺放传送带4的后端实现对浸渍片的预热，有利于实现浸渍片成丝的过程；
制得的浸渍片在第二牵引机构8-2的作用下经过成丝模具7，从平板状入口端进入，经过再次加热和模具塑性后，从圆形出口端出，实现浸渍片的成丝；成型模具7的出口加热端设置温度为110°，在该温度下实现PLA树脂的软化，但未达到PLA的熔融温度；
浸渍成丝完成后，可进行缠绕成卷，也可直接进入打印机9实现对连续纤维增强热塑性材料，其中增加短纤维包裹连续纤维的零件打印。
图5为纯PLA、连续纤维与短纤维共同增强PLA材料制得的标准弯曲样件测得的应力-应变曲线，可以看到在加入连续纤维与短纤维后，材料的强度和韧性同时得到较好的增强。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种连续纤维与短纤维共增强树脂的3D打印装置，包括放料架(1)，其特征在于：放料架(1)上的连续纤维经过第一牵引机构(8-1)牵引后进入连续纤维分散机构(2)进行分散，分散后的连续纤维经过短纤维喷洒机构(3)喷洒短纤维后进入铺放传送带(4)上，铺放传送带(4)上方设有热压滚轮(6)，通过热压滚轮(6)将树脂膜卷轴支架(5)上的热塑性树脂膜热压在短纤维、连续纤维上，形成连续纤维与短纤维共增强树脂的浸渍片；浸渍片经过成丝模具(7)在第二牵引机构(8-2)牵引下成预浸丝，预浸丝经过3D打印机(9)进行3D打印；
所述的短纤维长度根据增韧的需要，在1-5mm之间进行选择；短纤维分散液中加入树脂基体制成的微米级小颗粒，在经过喷洒机构后树脂基体微米级小颗粒与短纤维一起附着在连续纤维的表面，随后在热压滚轮(6)的压力作用下，树脂基体微米级小颗粒熔融进入连续纤维纱线的内部，使得连续纤维纱线得到更加充分的浸润；
所述的成丝模具(7)整体呈弧状，入口端呈平板状，出口端为圆形，中间为逐渐过渡的形状，浸渍片在成丝模具(7)的作用下向内卷缩，实现成丝；在出口端增加加热装置，使得浸渍片发生软化，但未达到熔融状态，以实现浸渍片卷成预浸丝材的过程。
2.根据权利要求1所述的一种连续纤维与短纤维共增强树脂的3D打印装置，其特征在于：所述的连续纤维分散机构(2)的辊轮选用摩擦力小的材料，材料摩擦系数范围为0.17-0.22，并采用大的纤维包围角，包围角的调整范围为90-150°；连续纤维分散机构(2)的上方设置风枪，风枪向下吹风，促使连续纤维纱线的分散；所述的辊轮上设有限宽挡板，限宽挡板的作用在于保持连续纤维间的间隙，以满足后续短纤维附着的要求。
3.根据权利要求1所述的一种连续纤维与短纤维共增强树脂的3D打印装置，其特征在于：所述的短纤维喷洒机构(3)包括料筒和喷洒板，料筒内设置有螺旋状的搅拌叶片(3-1)，料筒下方安装有喷洒头；将分散液与短切纤维放入料筒中，通过搅拌叶片(3-1)的搅拌作用，实现短纤维的充分分散；通过喷洒头将分散液和短纤维的混合液喷洒在喷洒板上的分散后的连续纤维上，短纤维附着在展开的连续纤维上方，多余的分散液从连续纤维的间隙渗透到喷洒板下方；所述的喷洒板的两端设有喷洒挡板以限制喷洒范围；所述的分散液为易挥发且不与短纤维发生反应的有机溶剂。
4.根据权利要求1所述的一种连续纤维与短纤维共增强树脂的3D打印装置，其特征在于：所述的铺放传送带(4)下方设置加热平板(401)，加热平板(401)使得残留的分散液完全挥发，并对连续纤维、短纤维进行预加热，有利于后续的浸渍；在完成浸渍后，加热平板(401)对浸渍片起到保温的作用，有利于进行后面的丝状成型。
5.根据权利要求1所述的一种连续纤维与短纤维共增强树脂的3D打印装置，其特征在于：所述的热压滚轮(6)设置在铺放传送带(4)的上方中间，带动热塑性树脂膜的移动，并在热压作用下，实现热塑性树脂膜与下方连续纤维和短纤维的熔融浸渍，形成浸渍片，浸渍片是由下向上依次为连续纤维(10-1)、短纤维(10-2)、热塑性树脂膜(10-3)的三层结构。
6.根据权利要求1所述的一种连续纤维与短纤维共增强树脂的3D打印装置，其特征在于：所述的连续纤维为碳纤维、凯夫拉纤维、玻璃纤维或其他天然纤维。
7.根据权利要求1所述的一种连续纤维与短纤维共增强树脂的3D打印装置，其特征在于：所述的热塑性树脂膜为PLA、PA或ABS。
8.根据权利要求1所述的一种连续纤维与短纤维共增强树脂的3D打印装置，其特征在于：所述的成丝模具(7)的内表面为光滑表面，并涂有脱模剂，使得浸渍片能在第二牵引机构(8-2)的驱动下，顺利通过成丝模具(7)；在通过成丝模具(7)后，丝材呈现短纤维在外侧包裹连续纤维，热塑性树脂完全浸润纤维的状态。
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