CN114536746A - 一种超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3d打印装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置及打印方法，包括打印平台(1)、超声固定座(5)、超声夹具(6)、超声波变幅杆(7)、超声波换能器(8)、超声波发生器(9)和散热模块(3)，超声固定座(5)、超声夹具(6)、超声波换能器(8)、超声波变幅杆(7)和散热模块(3)可随3D打印机的运动机构一起整体运动。当连续纤维增强热塑性树脂预浸丝通过超声波变幅杆垂直段的内部流道时，超声波直接作用于熔融的连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材，实现纤维与热塑性树脂之间的充分浸渍，当超声波沿超声波变幅杆的垂直段传播至打印喷嘴端面时，超声波直接作用在打印层之间，进而制备出孔隙少、具有良好界面结合、性能优异的3D打印连续纤维增强热塑性复合材料制品。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种超声辅助连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍的3D打印装置，以及采用该装置的3D打印方法。
背景技术
3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一，同时也与智能机器人、人工智能并列为当前推动数字化制造进步的三大关键技术。3D打印技术拥有无需原胚和模具的优点，因而能有效地简化产品的制造过程和缩短研发周期，不但克服了传统减材制造产生的能耗问题，而且使产品制造更智能化、精准化和高效，在汽车、航空航天、建筑、医疗等领域得到广泛应用。
材料的选择往往是3D打印制品性能的决定因素，使用传统和单一打印耗材形成的产品往往强度较低，无法满足各领域的性能要求。为了提高产品的各种性能，许多学者以热塑性树脂为基体，以短纤维或增强颗粒为增强材料，通过3D打印技术制备短纤维/颗粒增强热塑性复合材料。使用短纤维和颗粒增强热塑性树脂获得的复合材料在机械强度上的提高有限，也会在一定程度上降低其韧性，并且存在孔隙率大、附着力差的现象。为了进一步提高复合材料的力学性能，采用热塑性复合材料为基体，连续纤维为增强材料，结合3D打印技术所制备的连续纤维增强热塑性树脂复合材料制品，具有显著改善的机械性能，如拉伸强度和弯曲强度。但是打印制品层与层间的结合仅仅只靠喷嘴和打印平台之间的距离进行调控，导致其层间结合不理想，孔隙多，难以达到较高的层间剪切强度。也有采用超声辅助作用的3D打印装置，如中国专利ZL201611004664.0和ZL202110438935.8，其共同特点是超声工具头带动框架或连接部件的振动，从而将振动传递给加热腔室，再由加热腔室在传递给连续纤维增强热塑性复合材料丝材，在此过程，超声波都不与树脂直接接触，属于间接振动，由于超声波传递过程存在较多的连接和界面，当超声波作用于连续纤维增强热塑性复合材料丝材时，衰减十分严重，超声波作用效果不理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对当前连续纤维增强热塑性树脂复合材料3D打印存在的纤维浸渍质量差、层间结合强度低、孔隙率高等缺陷，并且已有的超声波辅助作用不能之间作用于打印层，超声作用效果弱等不足，提供一种超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置及方法，使超声波直接作用于熔融的连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材内部和打印层之间，提供纤维的进行效果和打印层间的结合力。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置，包括打印平台、超声固定座、超声夹具、超声波变幅杆、超声波换能器、超声波发生器和散热模块；
所述超声波换能器和超声固定座通过超声夹具连接，超声波变幅杆分别与超声波换能器和散热模块相连接，超声固定座和散热模块分别固定在3D打印机的运动机构上，从而超声固定座、超声夹具、超声波换能器、超声波变幅杆和散热模块可随3D打印机的运动机构一起整体运动；
所述超声波变幅杆位于散热模块的下方，为L型，包括平直段和垂直段，垂直段的上端通过双头螺柱与散热模块连接，散热模块、双头螺柱以及超声波变幅杆的垂直段内部均为空芯结构，且各空芯结构依次连通，形成供连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材传输的通道，垂直段的下端为打印喷嘴，打印喷嘴内置加热棒；
超声波换能器的一端与超声波变幅杆平直段的端部连接，另一端通过线路与超声波发生器连接。
其中，所述的L型超声波变幅杆的平直段、垂直段和打印喷嘴为一体式结构。
其中，超声波变幅杆的打印喷嘴的上流道直径为2-3mm，下流道直径为0.8-1.5mm，出口处为倒圆角形状，边缘宽度为1-2mm。
本发明还提供一种材料上述超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置的3D打印方法，包括如下步骤：
a，打开3D打印机，预热打印喷嘴，预热温度为1801420℃，打印层厚设定为0.4-0.5mm；
b，启动超声波发生器，超声波发生器产生大功率高频交流电流，超声波换能器将电流信号转变为机械振动，同时通过与超声波换能器相连接的超声波变幅杆放大机械振动的振幅，放大后的超声波频率为15150kHz、振幅为10150μm；
c，连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材经3D打印机送料机构输送到散热模块的空芯结构，并通过双头螺柱和超声波变幅杆垂直段的空芯结构进入打印喷嘴，打印喷嘴内置加热棒，连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材通过超声波变幅杆垂直段的空芯结构时，树脂熔融并充分浸渍纤维，；
d，超声固定座、超声夹具、超声波换能器、超声波变幅杆和散热模块随3D打印机的运动机构一起按照设定路径整体运动，同时连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材通过超声波变幅杆的打印喷嘴流出，铺放在打印平台上，制备出3D打印连续纤维增强热塑性复合材料制品。
其中，所述连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材直径为0.8-1.2mm，连续纤维为玻璃纤维或碳纤维，热塑性树脂为聚乳酸、尼龙、聚苯硫醚或聚醚醚酮。
与现有技术对比，本发明的超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置及3D打印方法具有如下技术效果：
(1)超声波变幅杆为L型结构，分平直段和垂直段，而且平直段、垂直段和打印喷嘴为一体式结构，当连续纤维增强热塑性树脂预浸丝通过超声波变幅杆垂直段的内部流道时，超声波直接作用于熔融的连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材，由于超声波的热学效应、振动作用，结合打印喷嘴内加热棒的加热作用，树脂熔融，并且连续纤维束充分均匀分散，熔融的树脂充分分散在连续纤维的内部，实现纤维与热塑性树脂之间的良好浸渍，并使内部夹杂的气体通过散热模块的通道返回至大气中；
(2)打印喷嘴和超声变幅杆为一体式结构，超声变幅杆既能传递超声波，又具有打印喷嘴的功能，当超声波沿超声波变幅杆的垂直段传播至打印喷嘴端面时，由于打印喷嘴端面与打印层的直接接触，超声波直接作用在打印层之间，超声波将直接促进聚合物分子链在打印的相邻线材之间的径向生长、扩散和融合，显著提高打印层间的结合力，降低孔隙率，进而制备出孔隙少、具有良好界面结合、性能优异的3D打印连续纤维增强热塑性复合材料制品；
(3)打印喷嘴和超声变幅杆为一体式结构，超声变幅杆将不受打印路径的影响，始终作用在熔融的连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材内部和打印层之间。
附图说明
图1是本发明超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置示意图；
图2是本发明超声变幅杆垂直段打印喷嘴的内部结构示意图。
其中，1-打印平台，2-打印喷嘴，3-散热模块，4-预浸丝材，5-超声固定座，6-超声夹具，7-超声波变幅杆，8-超声波换能器，9-超声波发生器，10-双头螺柱，11-加热棒，12-打印层，13-平直段，14-垂直段，D1-上流道直径，D2-下流道直径，L-打印喷嘴边缘宽度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
参照图1和图2，本发明的超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置，包括打印平台1、超声固定座5、超声夹具6、超声波变幅杆7、超声波换能器8、超声波发生器9和散热模块3；
所述超声波换能器8和超声固定座5通过超声夹具6连接，超声波变幅杆7分别与超声波换能器8和散热模块3相连接，超声固定座5和散热模块3分别固定在3D打印机的运动机构上，从而超声固定座5、超声夹具6、超声波换能器8、超声波变幅杆7和散热模块3可随3D打印机的运动机构一起整体运动；超声夹具6与超声固定座5、以及散热模块和超声固定座5可通过例如螺钉连接。
所述超声波变幅杆7位于散热模块3的下方，为L型，包括平直段13和垂直段14，垂直段14的上端通过双头螺柱10与散热模块3连接，散热模块3、双头螺柱10以及超声波变幅杆7的垂直段14内部均为空芯结构，且各空芯结构依次连通，形成供连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材4传输的通道，垂直段14的下端为打印喷嘴2，打印喷嘴2通过内置加热棒11加热，用以连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材4的加热熔融。
超声波换能器8的一端与超声波变幅杆7平直段的端部连接，另一端通过线路与超声波发生器9连接。
所述的L型超声波变幅杆7的平直段13、垂直段14和打印喷嘴2为一体式结构。超声波发生器9发出的超声波通过超声波换能器8放大后，经过超声波变幅杆7纵向传播，当传至超声波变幅杆7垂直段14的空芯结构时，超声波直接作用于空芯结构内连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材4的内部，由于超声波的热学效应、振动作用，实现对连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材4的加热以及振动分散。同时，L型超声波变幅杆7的垂直段14有8-10mm左右，打印喷嘴2内加热棒加热温度一般要高于熔点40℃左右，因此通过热传导，整个垂直段14的温度都比较高，在这两方面作用下，树脂被熔融，并且充分浸渍到通过超声振动而均匀分散的纤维束中，实现纤维与热塑性树脂之间的充分浸渍。
当超声波沿超声波变幅杆7垂直段14传播至打印喷嘴2端面时，由于打印喷嘴2端面与打印层12的直接接触，超声波直接作用于打印层12的界面，由于超声波的振动作用，振破3D打印过程中打印图形束与束、层与层之间的孔隙，实现3D打印制品束与束、层与层之间的良好界面结合。
所述超声波变幅杆7的打印喷嘴2的上流道直径D1为2-3mm，下流道直径D2为0.8-1.5mm，出口处为倒圆角形状，打印喷嘴边缘宽度(L)为1-2mm。
采用本发明的超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置的3D打印方法，工艺过程如下：
a，打开3D打印机，预热打印喷嘴2，预热温度为1801420℃，打印层厚设定为0.4-0.5mm；
b，启动超声波发生器9，超声波发生器9产生大功率高频交流电流，超声波换能器8将电流信号转变为机械振动，同时通过与超声波换能器8相连接的超声波变幅杆7放大机械振动的振幅，放大后的超声波频率为15150kHz、振幅为10150μm；
c，连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材4经3D打印机送料机构输送到散热模块3的空芯结构，并通过双头螺柱10和超声波变幅杆7垂直段14的空芯结构进入打印喷嘴2，打印喷嘴2内置加热棒11，连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材4通过超声波变幅杆7垂直段14的空芯结构时，树脂熔融并充分浸渍纤维；
d，超声固定座5、超声夹具6、超声波换能器8、超声波变幅杆7和散热模块3随3D打印机的运动机构一起按照设定路径整体运动，同时所提供的连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材4通过超声波变幅杆7的打印喷嘴2流出，铺放在打印平台1上，制备出3D打印连续纤维增强热塑性复合材料制品。
所述连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材4直径为0.8-1.2mm，连续纤维为玻璃纤维或碳纤维，热塑性树脂为聚乳酸、尼龙、聚苯硫醚或聚醚醚酮。
具体实施实例1
采用上述超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置和3D打印方法，其中具体参数为：
打印参数选取为：打印速度5mm/s；打印温度为280℃；打印层厚为0.4mm；打印线间距为1.0mm；打印材料为连续玻璃纤维增强尼龙6预浸丝，丝材直径0.8mm；打印喷嘴的上流道直径D1为2mm，下流道直径D2为0.8mm，出口处倒圆角处理，打印喷嘴边缘宽度L为1mm。
超声装置参数为：超声频率为15kHz，超声振动幅度为60μm。
经测试，所制备的连续玻纤增强尼龙6复合材料试样的弯曲强度、拉伸强度、层间剪切强度和孔隙率分别可达到321MPa、207MPa、32MPa和1.3％，而无超声作用的连续玻纤增强尼龙6复合材料试样的弯曲强度、拉伸强度、层间剪切强度和孔隙率分别可达到260MPa、180MPa、26MPa和5.3％，前者明显优于后者。
具体实施实例2
采用上述超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置和3D打印方法，其中具体参数为：
打印参数选取为：打印速度5mm/s；打印温度为280℃；打印层厚为0.5mm；打印线间距为1.0mm；打印材料为连续碳纤维增强尼龙6预浸丝，丝材直径1.0mm，打印喷嘴的上流道直径D1为2.5mm，下流道直径D2为1.2mm，出口处倒圆角处理，打印喷嘴边缘宽度L为1.5mm。
超声装置参数为：超声频率为30kHz，超声振动幅度为50μm。
经测试，所制备的连续碳纤增强尼龙6复合材料试样的弯曲强度、拉伸强度、层间剪切强度和孔隙率分别可达到518MPa、376MPa、38MPa和1.6％，而无超声作用的连续碳纤增强尼龙6复合材料试样的弯曲强度、拉伸强度、层间剪切强度和孔隙率分别可达到410MPa、302MPa、30MPa和4.5％，前者明显优于后者。
具体实施实例3
采用上述超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置和3D打印方法，其中具体参数为：
打印参数选取为：打印速度5mm/s；打印温度为415℃；打印层厚为0.5mm；打印线间距为1.0mm；打印材料为连续碳纤维增强聚醚醚酮预浸丝，丝材直径1.2mm，打印喷嘴的上流道直径D1为3mm，下流道直径D2为1.5mm，出口处倒圆角处理，打印喷嘴边缘宽度L为2mm。
超声装置参数为：超声频率为50kHz，超声振动幅度为40μm。
经测试，所制备的连续玻纤增强聚醚醚酮复合材料试样的弯曲强度、拉伸强度、层间剪切强度和孔隙率分别可达到826MPa、622MPa、26MPa和2.1％，，而无超声作用的连续玻纤增强尼龙6复合材料试样的弯曲强度、拉伸强度、层间剪切强度和孔隙率分别可达到650MPa、430MPa、18MPa和6.5％，前者明显优于后者。
上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置，其特征在于：3D打印装置包括打印平台(1)、超声固定座(5)、超声夹具(6)、超声波变幅杆(7)、超声波换能器(8)、超声波发生器(9)和散热模块(3)；
所述超声波换能器(8)和超声固定座(5)通过超声夹具(6)连接，超声波变幅杆(7)分别与超声波换能器(8)和散热模块(3)相连接，超声固定座(5)和散热模块(3)分别固定在3D打印机的运动机构上，从而超声固定座(5)、超声夹具(6)、超声波换能器(8)、超声波变幅杆(7)和散热模块(3)可随3D打印机的运动机构一起整体运动；
所述超声波变幅杆(7)位于散热模块(3)的下方，为L型，包括平直段(13)和垂直段(14)，垂直段(14)的上端通过双头螺柱(10)与散热模块(3)连接，散热模块(3)、双头螺柱(10)以及超声波变幅杆(7)的垂直段(14)内部均为空芯结构，且各空芯结构依次连通，形成供连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材(4)传输的通道，垂直段(14)的下端为打印喷嘴(2)，打印喷嘴(2)内置加热棒(11)；
超声波换能器(8)的一端与超声波变幅杆(7)平直段的端部连接，另一端通过线路与超声波发生器(9)连接。
2.根据权利要求书1所述的超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置，其特征在于，所述的L型超声波变幅杆(7)的平直段(13)、垂直段(14)和打印喷嘴(2)为一体式结构。
3.根据权利要求书1所述的超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置，其特征在于，超声波变幅杆(7)的打印喷嘴(2)的上流道直径(D1)为2-3mm，下流道直径(D2)为0.8-1.5mm，出口处为倒圆角形状，边缘宽度(L)为1-2mm。
4.一种采用权利要求1-4任一项所述的超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置的3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
a，打开3D打印机，预热打印喷嘴(2)，预热温度为180～420℃，打印层厚设定为0.4-0.5mm；
b，启动超声波发生器(9)，超声波发生器(9)产生大功率高频交流电流，超声波换能器(8)将电流信号转变为机械振动，同时通过与超声波换能器(8)相连接的超声波变幅杆(7)放大机械振动的振幅，放大后的超声波频率为15～50kHz、振幅为10～50μm；
c，连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材(4)经3D打印机送料机构输送到散热模块(3)的空芯结构，并通过双头螺柱(10)和超声波变幅杆(7)垂直段(14)的空芯结构进入打印喷嘴(2)，打印喷嘴(2)内置加热棒(11)，连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材(4)通过超声波变幅杆(7)垂直段(14)的空芯结构时，树脂熔融并充分浸渍纤维，；
d，超声固定座(5)、超声夹具(6)、超声波换能器(8)、超声波变幅杆(7)和散热模块(3)随3D打印机的运动机构一起按照设定路径整体运动，同时连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材(4)通过超声波变幅杆(7)的打印喷嘴(2)流出，铺放在打印平台(1)上，制备出3D打印连续纤维增强热塑性复合材料制品。
5.根据权利要求书4所述的方法，其特征在于，所述连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材(4)直径为0.8-1.2mm。
6.根据权利要求书4所述的方法，其特征在于，所述连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材(4)的纤维为玻璃纤维或碳纤维。
7.根据权利要求书4所述的方法，其特征在于，所述连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材(4)的树脂为聚乳酸、尼龙、聚苯硫醚或聚醚醚酮。
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