CN113752550A - 一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3d打印机 - Google Patents

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Abstract

一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3D打印机，包括腔体保温壳体，腔体保温壳体内部连接有升降打印平台，腔体保温壳体内部设有腔体加热单元；腔体保温壳体顶部连接有水平运动机构，水平运动机构上安装有保温板、打印头，保温板与腔体保温壳体的顶部开口配合，使腔体保温壳体组成一个封闭的腔体空间；打印头伸入腔体保温壳体内部；水平运动机构上安装有挤出送丝机构，挤出送丝机构和打印头连接，挤出送丝机构将热塑性树脂丝材和连续纤维送入打印头；本发明通过整机的结构布局来创造低耗费成本的高温恒温打印环境，减小连续纤维增强热塑性复合材料打印过程中的收缩和翘曲，改善层间性能，提高连续纤维增强热塑性复合材料3D打印的成形质量。

Description

一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3D打印机
技术领域
本发明及3D打印技术领域，具体涉及一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3D打印机。
背景技术
连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)是以连续纤维作为增强材料，以热塑性树脂为基体，通过将热塑性树脂熔融浸渍的工艺制造的高强度、高刚性、高韧性的复合材料。连续纤维增强热塑性复合材料由于其轻质、高刚度、高韧性等特性，在汽车工业，航空航天，军工，电子等诸多领域已经广泛的应用。
近年来发展迅速的3D打印技术，是一种先进的零件成形工艺，具有一体成型、不受模型复杂度限制的特点，可制造具有复杂结构形状的零部件而无需任何模具。由于热塑性复合材料可在熔融状态下可成为无定形状的制品，并可再加热熔融而制成另一种形状的制品，还可重复多次再生使用而其物理机械性能不发生显著的变化，人们将连续纤维增强热塑性复合材料与3D打印技术相结合开发出了连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术。相比纯树脂和短切纤维增强3D打印制件，连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术引入了连续纤维作为增强相，可明显提高打印制件的力学性能。然而，由于3D打印技术是通过多层材料的堆叠来实现成形的，打印过程中往往存在着翘曲和分层的问题，连续纤维的引入虽然提高了制件沿纤维方向的力学性能，但同时也在一定程度上削弱了层间性能，加剧了3D打印制件力学性能的各向异性，限制了连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术在航空航天和国防等关键领域的应用。
迄今为止，大多数改善3D打印制件翘曲和分层的方式都只是针对于低熔点的热塑性树脂材料，如聚乳酸、聚丙烯、聚碳酸酯、尼龙6和尼龙12等，通常采用打印平台预热和封闭打印腔体就能取得十分明显的改善效果。而针对耐高温的高性能热塑性树脂材料的3D打印改善难度较大，如聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯硫醚及其他高性能半结晶聚合物，它们大多数的特点是结晶熔融温度远高于玻璃化转变温度，即使在玻璃化转变温度以上，仍能保持大部分力学性能，使用温度的上限比玻璃化转变温度高出很多。这类高熔点半结晶热塑性树脂材料，在打印过程中更容易产生收缩和翘曲，并且由于刚从喷嘴挤出的熔融态材料和上一层已固化成形的材料温差过大，二者不能实现良好熔融结合，导致层间结合性能比较差。
目前，针对高熔点半结晶热塑性树脂材料的3D打印，大多采用腔体预热的方式来减小打印环境与挤出材料之间的温度差，但是由于3D打印设备的运动机构不能长时间在封闭的高温环境下工作，因此目前的腔体预热所能达到的环境温度并不高，运动机构的使用性能和封闭的高温腔体环境成了一对矛盾点，人们往往需要耗费很高的代价去协调这一矛盾，如采用耐高温的电机和传动部件，使得设备的成本大幅上升。并且上述改善措施只是针对高熔点半结晶热塑性树脂纯材料的3D打印，而对于连续纤维增强的热塑性复合材料，其翘曲和分层的问题更为突出，迄今为止还没有良好的解决方案。
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一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3D打印机，通过整机的结构布局设计来创造低耗费成本的高温恒温打印环境，以此来减小连续纤维增强热塑性复合材料打印过程中的收缩和翘曲，改善层间性能，提高连续纤维增强热塑性复合材料3D打印的成形质量。
为了达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：
一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3D打印机，包括腔体保温壳体7，腔体保温壳体7的内部连接有升降打印平台5，腔体保温壳体7的内部设有腔体加热单元4；腔体保温壳体7的顶部连接有水平运动机构2，水平运动机构2上安装有保温板10、打印头6，保温板10与腔体保温壳体7的顶部开口配合，使腔体保温壳体7组成一个封闭的腔体空间；打印头6伸入腔体保温壳体7内部，位于升降打印平台5的上方；水平运动机构2上安装有挤出送丝机构11，挤出送丝机构11和打印头6连接，挤出送丝机构11将热塑性树脂丝材12和连续纤维13送入打印头6。
所述的水平运动机构2包括两根Y向的第一线轨滚珠丝杠滑台22、第二线轨滚珠丝杠滑台25和一根X向的第三线轨滚珠丝杠滑台27，第一线轨滚珠丝杠滑台22、第二线轨滚珠丝杠滑台25通过第一滑台转接座21、第二滑台转接座26和第三线轨滚珠丝杠滑台27连接，形成H型结构布局；第三线轨滚珠丝杠滑台27通过X轴转接座28和型材支架24连接，型材支架24中部连接有保温板10，型材支架24底部连接有打印头6，型材支架24顶部连接有挤出送丝机构11。
所述的挤出送丝机构11包括纯材料挤出机112、复合材料挤出机115，纯材料挤出机112入口通过第一纯材料树脂送料管116和第一热塑性树脂丝材121连接；复合材料挤出机115入口通过第一复合材料树脂送料管117和第二热塑性树脂丝材122连接；挤出送丝机构11将第一热塑性树脂丝材121、第二热塑性树脂丝材122分别通过第一纯材料树脂送料管116、第一复合材料树脂送料管117送入到纯材料挤出机112、复合材料挤出机115经第二纯材料树脂送料管113、第二复合材料树脂送料管114主动送丝挤出。
所述的打印头6包括加热块605，加热块605上连接有第一喉管604、第二喉管611、纤维导引管614；第一喉管604入口通过第一散热管602和第一气动接头601出口连接，第一气动接头601入口通过第二纯材料树脂送料管113和纯材料挤出机112出口连接，第一喉管604出口和纯材料打印喷嘴606连接；第二喉管611入口通过第二散热管612和第二气动接头613出口连接，第二气动接头613入口通过第二复合材料树脂送料管114和复合材料挤出机115出口连接；纤维导引管614入口和第三气动接头615出口连接，第三气动接头615入口和纤维料管111连接；纤维导引管614出口、第二喉管611出口和复合材料打印喷嘴609连接；靠近第一喉管604出口的加热块605上连接有第一加热棒608，靠近纤维导引管614出口、第二喉管611出口的加热块605上连接有第二加热棒610，加热块605上连接有热电偶607，加热块605两侧和加热块固定架603连接，通过加热块固定架603固定在型材支架24上；连续纤维13通过纤维料管111被动送丝进入打印头6，并和第二热塑性树脂丝材122在打印头6内部同步复合浸渍后通过复合材料打印喷嘴609共混挤出进行打印。
所述的保温板10采用铝箔外壳和高密度聚氨酯芯材制成，总厚度为20mm。
所述的腔体保温壳体7材料由外向内依次为铝合金外壳71、发泡保温棉72、陶瓷纤维毯73、不锈钢内胆74，总厚度为15-20mm。
所述的腔体加热单元4包括两侧上层的第一加热灯管41、第二加热灯管45和下层的第三加热灯管42、第四加热灯管44，以及腔体保温壳体7内安装的腔体温度传感器43，四根加热灯管均匀的分布在腔体保温壳体7的两侧内壁。
所述的腔体保温壳体7设有正门3、电气柜9以及操作面板8，腔体保温壳体7顶部连接有支撑热塑性树脂丝材12和连续纤维13转轮的支架1。
本发明提供的有益效果为：
本发明通过整机结构设计，解决了水平运动机构2与腔体保温壳体7的矛盾，通过与打印头6随动的保温板10实现了水平运动机构2与腔体保温壳体7的分离隔热，而无需采用成本高昂的耐高温电机以及传动部件等，耗费较低的代价成本创造了高温恒温打印环境，减小打印过程中连续纤维增强热塑性复合材料样件的收缩和翘曲，减小材料之间的温度差，改善层间结合，进一步提高连续纤维增强热塑性复合材料3D打印的成形质量。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明水平运动机构结构示意图。
图3为本发明挤出送丝机构结构示意图。
图4为本发明打印头结构示意图。
图5为本发明高温腔体预热布局示意图。
图6为本发明腔体保温壳体材料组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明，这里所述的实施例是为了帮助阅读者理解本发明的基本原理及操作步骤，应被理解为发明的保护范围并不局限于这里的特别陈述和实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，仍然在本发明的保护范围内。
参照图1，一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3D打印机，包括腔体保温壳体7，腔体保温壳体7的内部连接有升降打印平台5，腔体保温壳体7的内部设有腔体加热单元4，腔体加热单元4给腔体保温壳体7加热升温；腔体保温壳体7的顶部连接有水平运动机构2，水平运动机构2上安装有保温板10、打印头6，保温板10与腔体保温壳体7顶部开口配合，使腔体保温壳体7组成一个封闭的腔体空间，保温板10的平面尺寸大于腔体保温壳体7顶部开口尺寸，并在打印头6的有效运动行程内，保温板10能够始终覆盖腔体保温壳体7的顶部开口；打印头6伸入腔体保温壳体7内部，位于升降打印平台5的上方；水平运动机构2上安装有挤出送丝机构11，挤出送丝机构11和打印头6连接，挤出送丝机构11将热塑性树脂丝材12和连续纤维13送入打印头6。
所述的腔体保温壳体7设有正门3，能够方便操作人员开关正门3取件和观察腔体内的打印状态；腔体保温壳体7的右侧设有电气柜9，能够方便操作人员检修硬件电路故障和扩展硬件，电气柜9和腔体保温壳体7中间有隔热夹层，腔体升温时不影响另一侧电子元器件正常使用；腔体保温壳体7的正面右侧设有操作面板8，方便人机交互以更好地处理打印任务和状态监测；腔体保温壳体7顶部连接有支撑热塑性树脂丝材12和连续纤维13转轮的支架1。
参照图2，所述的水平运动机构2包括两根Y向的第一线轨滚珠丝杠滑台22、第二线轨滚珠丝杠滑台25和一根X向的第三线轨滚珠丝杠滑台27，第一线轨滚珠丝杠滑台22、第二线轨滚珠丝杠滑台25通过第一滑台转接座21、第二滑台转接座26和第三线轨滚珠丝杠滑台27连接，形成H型结构布局；第三线轨滚珠丝杠滑台27通过X轴转接座28和型材支架24连接，型材支架24中部连接有保温板10，型材支架24底部连接有打印头6，型材支架24顶部连接有挤出送丝机构11。
参照图3，所述的挤出送丝机构11包括纯材料挤出机112、复合材料挤出机115，纯材料挤出机112一个入口通过纤维料管111和连续纤维13连接，纯材料挤出机112另一个入口通过第一纯材料树脂送料管116和第一热塑性树脂丝材121连接；复合材料挤出机115入口通过第一复合材料树脂送料管117和第二热塑性树脂丝材122连接；挤出送丝机构11将第一热塑性树脂丝材121、第二热塑性树脂丝材122分别通过第一纯材料树脂送料管116、第一复合材料树脂送料管117送入到纯材料挤出机112、复合材料挤出机115经第二纯材料树脂送料管113、第二复合材料树脂送料管114主动送丝挤出。
参照图4，所述的打印头6包括加热块605，加热块605上连接有第一喉管604、第二喉管611、纤维导引管614；第一喉管604入口通过第一散热管602和第一气动接头601出口连接，第一气动接头601入口通过第二纯材料树脂送料管113和纯材料挤出机112出口连接，第一喉管604出口和纯材料打印喷嘴606连接；第二喉管611入口通过第二散热管612和第二气动接头613出口连接，第二气动接头613入口通过第二复合材料树脂送料管114和复合材料挤出机115出口连接；纤维导引管614入口和第三气动接头615出口连接，第三气动接头615入口和纤维料管111连接；纤维导引管614出口、第二喉管611出口和复合材料打印喷嘴609连接；靠近第一喉管604出口的加热块605上连接有给第一喉管604加热的第一加热棒608，靠近纤维导引管614出口、第二喉管611出口的加热块605上连接有给纤维导引管614、第二喉管611加热的第二加热棒610，加热块605上连接有热电偶607，加热块605两侧和加热块固定架603连接，通过加热块固定架603固定在型材支架24上；连续纤维13通过纤维料管111被动送丝进入打印头6，并和第二热塑性树脂丝材122在打印头6内部同步复合浸渍后通过复合材料打印喷嘴609共混挤出进行打印。
参照图5，所述的腔体加热单元4包括两侧上层的第一加热灯管41、第二加热灯管45和下层的第三加热灯管42、第四加热灯管44，以及腔体保温壳体7内安装的腔体温度传感器43，加热灯管为500W的碘钨灯管，四根加热灯管均匀的分布在腔体保温壳体7的两侧内壁，腔体的实时环境温度通过腔体温度传感器43反馈给温控系统。
参照图6，所述的腔体保温壳体7材料由外向内依次为铝合金外壳71、发泡保温棉72、陶瓷纤维毯73、不锈钢内胆74，总厚度为15-20mm；不锈钢的耐热性能好，且保温性能要优于铝合金，所以采用不锈钢作为腔体内胆，直接承受加热灯管的高温辐照；与不锈钢内胆74紧贴的是陶瓷纤维毯73，其隔热阻燃效果好，最高可耐1000℃的高温，陶瓷纤维毯73外侧是发泡保温棉72，发泡保温棉72外侧采用铝合金外壳71，用以保持和固定内部的隔热材料。
所述的保温板10采用铝箔外壳和高密度聚氨酯芯材制成，总厚度为20mm，总质量较轻，不影响水平运动机构2的运动精度。
本发明的工作原理为：腔体加热单元4给腔体保温壳体7加热升温，保温板10能够始终覆盖腔体保温壳体7的顶部开口，挤出送丝机构11将热塑性树脂丝材12和连续纤维13送入打印头6在升降打印平台5上进行打印；在打印过程中，腔体保温壳体7、保温板10和腔体加热单元4综合作用，提供高温恒温打印环境，以此来减小连续纤维增强热塑性复合材料打印过程中的收缩和翘曲，改善层间性能，提高连续纤维增强热塑性复合材料3D打印的成形质量。

Claims (8)

1.一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3D打印机，包括腔体保温壳体(7)，其特征在于：腔体保温壳体(7)的内部连接有升降打印平台(5)，腔体保温壳体(7)的内部设有腔体加热单元(4)，腔体保温壳体(7)的顶部连接有水平运动机构(2)，水平运动机构(2)上安装有保温板(10)、打印头(6)，保温板(10)与腔体保温壳体(7)的顶部开口配合，使腔体保温壳体(7)组成一个封闭的腔体空间；打印头(6)伸入腔体保温壳体(7)内部，位于升降打印平台(5)的上方；水平运动机构(2)上安装有挤出送丝机构(11)，挤出送丝机构(11)和打印头(6)连接，挤出送丝机构(11)将热塑性树脂丝材(12)和连续纤维(13)送入打印头(6)。
2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3D打印机，其特征在于：所述的水平运动机构(2)包括两根Y向的第一线轨滚珠丝杠滑台(22)、第二线轨滚珠丝杠滑台(25)和一根X向的第三线轨滚珠丝杠滑台(27)，第一线轨滚珠丝杠滑台(22)、第二线轨滚珠丝杠滑台(25)通过第一滑台转接座(21)、第二滑台转接座(26)和第三线轨滚珠丝杠滑台(27)连接，形成H型结构布局；第三线轨滚珠丝杠滑台(27)通过X轴转接座(28)和型材支架(24)连接，型材支架(24)中部连接有保温板(10)，型材支架(24)底部连接有打印头(6)，型材支架(24)顶部连接有挤出送丝机构(11)。
3.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3D打印机，其特征在于：所述的挤出送丝机构(11)包括纯材料挤出机(112)、复合材料挤出机(115)，纯材料挤出机(112)入口通过第一纯材料树脂送料管(116)和第一热塑性树脂丝材(121)连接；复合材料挤出机(115)入口通过第一复合材料树脂送料管(117)和第二热塑性树脂丝材(122)连接；挤出送丝机构(11)将第一热塑性树脂丝材(121)和第二热塑性树脂丝材(122)分别通过第一纯材料树脂送料管(116)、第一复合材料树脂送料管(117)送入到纯材料挤出机(112)、复合材料挤出机(115)经第二纯材料树脂送料管(113)、第二复合材料树脂送料管(114)主动送丝挤出。
4.根据权利要求2所述的一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3D打印机，其特征在于：所述的打印头(6)包括加热块(605)，加热块(605)上连接有第一喉管(604)、第二喉管(611)、纤维导引管(614)；第一喉管(604)入口通过第一散热管(602)和第一气动接头(601)出口连接，第一气动接头(601)入口通过第二纯材料树脂送料管(113)和纯材料挤出机(112)出口连接，第一喉管(604)出口和纯材料打印喷嘴(606)连接；第二喉管(611)入口通过第二散热管(612)和第二气动接头(613)出口连接，第二气动接头(613)入口通过第二复合材料树脂送料管(114)和复合材料挤出机(115)出口连接；纤维导引管(614)入口和第三气动接头(615)出口连接，第三气动接头(615)入口和纤维料管(111)连接；纤维导引管(614)出口、第二喉管(611)出口和复合材料打印喷嘴(609)连接；靠近第一喉管(604)出口的加热块(605)上连接有第一加热棒(608)，靠近纤维导引管(614)出口、第二喉管(611)出口的加热块605上连接有第二加热棒(610)，加热块(605)上连接有热电偶(607)，加热块(605)两侧和加热块固定架(603)连接，通过加热块固定架(603)固定在型材支架(24)上；连续纤维(13)通过纤维料管(111)被动送丝进入打印头(6)，并和第二热塑性树脂丝材(122)在打印头(6)内部同步复合浸渍后通过复合材料打印喷嘴(609)共混挤出进行打印。
5.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3D打印机，其特征在于：所述的保温板(10)采用铝箔外壳和高密度聚氨酯芯材制成，总厚度为20mm。
6.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3D打印机，其特征在于：所述的腔体保温壳体(7)材料由外向内依次为铝合金外壳(71)、发泡保温棉(72)、陶瓷纤维毯(73)、不锈钢内胆(74)，总厚度为15-20mm。
7.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3D打印机，其特征在于：所述的腔体加热单元(4)包括两侧上层的第一加热灯管(41)、第二加热灯管(45)和下层的第三加热灯管(42)、第四加热灯管(44)，以及腔体保温壳体(7)内安装的腔体温度传感器(43)，四根加热灯管均匀的分布在腔体保温壳体(7)的两侧内壁。
8.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3D打印机，其特征在于：所述的腔体保温壳体(7)设有正门(3)、电气柜(9)以及操作面板(8)，腔体保温壳体(7)顶部连接有支撑热塑性树脂丝材(12)和连续纤维(13)转轮的支架(1)。
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