CN115027058A - 3d打印线材、其连续性制备方法及制备系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印线材、其连续性制备方法及制备系统。所述制备方法包括：提供原始线材，原始线材包括线材主体以及高分子；使原始线材通过拉丝组件进行拉拔处理，获得3D打印线材；其中，拉丝组件包括沿原始线材的前进方向依次交替设置的第一拉丝模和第二拉丝模，且原始线材首先经过第一拉丝模，第一拉丝模的工作区和定径区的长度均大于第二拉丝模。本发明所提供的3D打印线材的连续性制备方法通过不同长度的拉丝模的配合，使制备得到的3D打印线材的连续性得以显著提升，并且，可避免线材表面存在残余颗粒，使得3D打印线材的均匀性和表面光洁程度均得以提升，为3D打印技术的发展提供高质量的原材料。

Description

3D打印线材、其连续性制备方法及制备系统

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种3D打印线材、其连续性制备方法及制备系统。

背景技术

制备金属复合碳纤维增强尼龙3D打印线材主要分为以下两个步骤：金属复合碳纤维经包覆机复合尼龙并辊压后，得到窄带状的金属复合碳纤维增强尼龙3D打印半成品线材；将上述半成品线材经过一系列孔径逐渐减小的拉丝模具拉拔收卷后，最终得到既能满足3D打印机打印线径要求又能最大程度实现连续收卷的金属复合碳纤维增强尼龙3D打印线材。

按模孔几何形状，拉丝模可分为圆形、方形、三角形、椭圆形、异形等拉丝模。图1为拉丝模内孔的基本结构，按工作性质大致可分为入口区1、润滑区2、工作区3、定径区4、出口区5五个区间。不同的区间表现出不同的作用。其中，线材变形过程主要发生在工作区，即将线材直径减小到符合3D打印机打印线径要求的范围内。定径区，其作用在于维持收卷线材的准确直径。

与碳纤维线材相比，金属复合碳纤维线材(M-CF线材)在结构上可以理解为“存在缺陷”的碳纤维线材，“缺陷”可以归咎于M-CF线材由于金属粒子的引入导致碳纤维线材结构发生重大改变，最终导致其力学强度发生明显的降低。

现有技术中，在对上述低缺陷纤维进行拉拔处理时，通常使用固定长度的拉丝模组合进行拉拔。

对于长拉丝模的组合，工作区和定径区长度均相对较长。工作区过长，使得线材在其中更为均匀地逐渐压缩，楔形效应更加明显，尼龙包覆程度较为均匀，为收卷M-CF/PA线材的良好圆整度奠定了坚实基础；而定径区过长，则容易导致摩擦、能耗的增大，最终引起线材直径的缩减或拉断线材。对于短拉丝模的组合，工作区和定径区长度皆相对较短。工作区过短，线材与其接触面积降低，拉拔力减小，即降低收卷过程中摩擦阻力，从而有效降低了收卷线材过程中出现断丝甚至断裂等情况的风险；定径区过短，易造成收卷时线材部分区域产生竹节形变化，不能及时将线材周围多余的尼龙刮除干净，导致线材表面残余较大的尼龙颗粒，使得线材直径不能满足3D打印机打印最大直径的要求，同时也会加速拉丝模内孔磨损，减短拉丝模的使用寿命。

因此，采用现有技术进行3D打印线材的制备时，存在线材易断连续性差、均匀性差以及线材表面残余颗粒等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种3D打印线材、其连续性制备方法及制备系统。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

第一方面，本发明提供一种3D打印线材的连续性制备方法，其包括：

提供原始线材，所述原始线材包括线材主体以及高分子；

使所述原始线材通过拉丝组件进行拉拔处理，获得3D打印线材；

其中，所述拉丝组件包括沿所述原始线材的前进方向依次交替设置的第一拉丝模和第二拉丝模，且所述原始线材首先经过所述第一拉丝模，所述第一拉丝模的工作区和定径区的长度均大于所述第二拉丝模。

第二方面，本发明还提供一种3D打印线材的连续性制备系统，应用于上述连续性制备方法，包括：

沿预定方向依次设置的释放装置、拉丝组件以及收集装置，所述释放装置用于释放原始线材，所述拉丝组件用于对所述原始线材进行拉拔处理使其转化为3D打印线材，所述收集装置用于收集所述3D打印线材；

其中，所述拉丝组件包括沿所述原始线材的前进方向依次交替设置的第一拉丝模和第二拉丝模，且使所述第一拉丝模设置于沿所述预定方向的第一位置，所述第一拉丝模的工作区和定径区的长度均大于所述第二拉丝模。

第三方面，本发明还提供上述连续制备方法制得的3D打印线材，所述3D打印线材的连续性大于300m，横截面的椭圆度小于12％，表面粗糙度低于30μm，直径均匀性偏差小于5％。

基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明所提供的3D打印线材的连续性制备方法通过不同长度的拉丝模的配合，使制备得到的3D打印线材的连续性得以显著提升，并且，避免了线材表面残余颗粒，使得3D打印线材的均匀性和表面光洁程度均得以提升，为3D打印技术的发展提供了高质量的原材料。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

附图说明

图1是本发明背景技术中提供的拉丝模孔内结构的剖面示意图；

图2是本发明第一对比案例提供的3D打印线材的连续性制备方法的过程示意图；

图3是本发明第二对比案例提供的3D打印线材的连续性制备方法的过程示意图；

图4a是本发明第二对比案例提供的3D打印线材的断面电镜照片；

图4b是本发明第二对比案例提供的3D打印线材的表面电镜照片；

图4c是本发明第二对比案例提供的3D打印线材的表面电镜照片；

图5是本发明第二对比案例提供的3D打印线材的线材直径均匀性测试结果图；

图6是本发明一典型实施案例提供的3D打印线材的连续性制备方法的过程示意图；

图7a-图7c是本发明一典型实施案例提供的3D打印线材的不同倍率的断面电镜照片；

图8a-图8b是本发明一典型实施案例提供的3D打印线材的不同倍率的表面电镜照片；

图9是本发明一典型实施案例提供的3D打印线材的线材直径均匀性测试结果图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件或方法步骤区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件或方法步骤之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

参见图6，本发明实施例提供一种3D打印线材的连续性制备方法，包括如下的步骤：

提供原始线材，所述原始线材包括线材主体以及高分子。

使所述原始线材通过拉丝组件进行拉拔处理，获得3D打印线材。

其中，所述拉丝组件包括沿所述原始线材的前进方向依次交替设置的第一拉丝模和第二拉丝模，且所述原始线材首先经过所述第一拉丝模，所述第一拉丝模的工作区和定径区的长度均大于所述第二拉丝模。

其中，所述的线材主体是指构成所述3D打印线材的主要结构，为顺利实现3D打印，需要在线材主体上复合高分子，能够在热量的作用下，使得高分子熔化，从而使得上述线材主体以及高分子共同堆积成型。

本发明旨在调整上述3D打印线材制备过程第二部分中拉丝模尺寸搭配使用情况，实现M-CF/PA线材能够满足3D打印机打印线径要求及连续性制备的目标。本发明的主要研究对象为M-CF/PA线材但并不局限于该类线材，可以适当拓展到其他“低缺陷”的线材。

因此，在一些实施方案中，所述原始线材包括低缺陷线材，本方案中“低缺陷线材”特指方案中所述的M-CF/PA线材，结构上可以理解为“存在缺陷”的碳纤维线材，“缺陷”可以归咎于M-CF线材由于金属粒子的引入导致碳纤维线材结构发生重大改变，最终导致其力学强度发生明显的降低。

在一些实施方案中，所述线材主体可以包括金属复合碳纤维、碳纤维树脂复合材料以及碳纤维中的任意一种或两种以上的组合。优选为金属复合碳纤维。

在一些实施方案中，所述高分子可以包括尼龙、聚苯硫醚、聚醚醚酮以及聚酮醚醚中的任意一种或两种以上的组合。优选为尼龙。

在一些实施方案中，所述原始线材可以采用如下的方法获得：

使尼龙包覆于所述金属复合碳纤维表面后经过辊压，获得窄带状的所述原始线材。

在一些实施方案中，所述原始线材的宽度优选可以为800-1500μm，厚度优选可以为180-300μm。

在一些实施方案中，所述金属复合碳纤维中的丝束直径优选可以为300-400μm。

在一些实施方案中，所述原始线材中，尼龙与金属复合碳纤维的质量比优选可以为60-50∶40-50。

在一些实施方案中，所述金属复合碳纤维表面的金属层可以包括铜、镍、铝、镁、钛中的任意一种或两种以上的组合。

在一些实施方案中，所述第一拉丝模和第二拉丝模的拉丝孔均包括沿所述原始线材前进方向依次设置的入口区、润滑区、工作区、定径区以及出口区。

在一些实施方案中，所述第一拉丝模的工作区长度为330-340μm，所述第二拉丝模的工作区长度为135-140μm。

在一些实施方案中，所述第一拉丝模的工作区长度可以为第二拉丝模的2.3-2.6倍。

在一些实施方案中，所述第一拉丝模的定径区长度可以为90-100μm，所述第二拉丝模的定径区长度可以为35-40μm。

在一些实施方案中，所述第一拉丝模的定径区长度可以为第二拉丝模的2.2-2.9倍。

在一些实施方案中，所述拉丝组件中，拉丝模的数量可以为3-9个。

在一些实施方案中，所述拉丝组件中，拉丝模的内径沿所述原始纤维前进方向依次递减，相邻所述拉丝模的内径的差值可以为10-300μm。

在一些实施方案中，沿所述原始纤维前进方向的最后一拉丝模的定径区直径可以为400-450μm。

在一些实施方案中，所述拉拔处理的温度可以为230-270℃。

在一些实施方案中，所述原始纤维的拉拔速度可以为0.1-1.0m/min。

基于上述技术方案，作为一些典型的实施案例，参见图6，该新型拉丝模尺寸搭配使用示意图。本发明的实施案例的设计思路如下，以M-CF/PA为例，首先，原始线材所过1#拉丝模经历化“扁”为“圆”的过程应尽量选择具有长工作区的长拉丝模(470mm)，使得尼龙更充分地进入到原始线材内部并进行逐渐压缩，得到圆整度良好的原始线材。其次，由于M-CF/PA线材力学强度较弱，在过具有长定径区的长拉丝模时更容易发现断丝甚至脆断现象，考虑到M-CF/PA线材连续收卷目标，2#拉丝模选择190mm圆形、短拉丝模；然而，由于短拉丝模的工作区较短，线材过190mm拉丝模后，线材表面仍存在较大面积的尼龙颗粒聚集，线材表面光滑程度较差，增加了3D打印机打印堵塞进料管道的风险，由此将3#拉丝模选择为长拉丝模(470mm)；同样地，考虑到M-CF/PA线材力学强度较弱的情况，将4#拉丝模定为短拉丝模(190mm)。本发明的典型实施案例使用长-短-长-短拉丝模相互搭配组合使用的方式，设计出针对M-CF/PA线材最佳收卷方案，最终实现了既满足3D打印机打印线径要求又最大程度连续收卷的金属复合碳纤维增强尼龙3D打印线材的目标。

继续参见图6，本发明实施例还提供一种3D打印线材的连续性制备系统，应用于上述连续性制备方法，其包括：

沿预定方向依次设置的释放装置、拉丝组件以及收集装置，所述释放装置用于释放原始线材，所述拉丝组件用于对所述原始线材进行拉拔处理使其转化为3D打印线材，所述收集装置用于收集所述3D打印线材。

其中，所述拉丝组件包括沿所述原始线材的前进方向依次交替设置的第一拉丝模和第二拉丝模，且使所述第一拉丝模设置于沿所述预定方向的第一位置，所述第一拉丝模的工作区和定径区的长度均大于所述第二拉丝模。

本发明实施例还提供上述连续性制备方法制得的3D打印线材。

在一些实施方案中，所述3D打印线材的连续性大于300m，横截面的椭圆度小于12％，表面粗糙度低于30μm，直径均匀性偏差小于5％。

以下通过若干实施例并结合附图进一步详细说明本发明的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本发明，而不限制本发明的范围。且由于下述实验过程中使用的是470mm锥形模和190mm的圆形模，本专利重点关注其工作区、定径区两个区间长、短的不同对最终收卷的M-CF/PA线材线径和线材连续收卷最大长度的影响。

实施例1

本实施例提供一种3D打印线材的连续性制备示例，具体过程如下所示：

以M-CF/PA线材作为原始线材，其中，该线材的碳纤维丝束的直径为374μm，表面镀层沿截面轴向分别为镀镍、铜层，且该线材经过尼龙熔覆后辊压呈窄带状，宽度在1100μm左右，厚度在265μm左右，线材中，尼龙和金属复合碳纤维的质量比为1.1-1.2；

在250℃的环境中，使上述原始线材依次通过1#-4#拉丝模，其中，1#和3#拉丝模的长度为470mm，工作区长度为332mm，定径区长度为94mm；2#和4#拉丝模的长度为190mm；工作区长度为136mm，定径区长度为38mm；

上述四个拉丝模的内径依次为800、600、500和450μm；

控制收卷速率以使得上述线材在拉丝模中的拉拔速度为0.5m/min，经过连续收卷，得到成品且连续的3D打印线材。

本实施例在收卷轴端实现大于300m的连续收卷，如图7a-图7c所示，本实施例收卷得到的M-CF/PA 3D打印线材断面圆整度良好、如图8a-图8b所示，如图9所示，该3D打印线材表面光滑、线材直径满足3D打印机打印条件，最关键的是，其线径未出现较大的波动，尤其是大于3D打印机最大通过线径的异常波动。

实施例2

本实施例提供一种3D打印线材的连续性制备示例，与实施例1基本相同，区别仅在于：

所述的原始线材为金属铜复合碳纤维线材。

所制备得到的3D打印线材与实施例1具有相似的圆形度、均匀性以及连续性，并且，本实施例的线材表面也无颗粒物聚集现象，未发生线径大于3D打印机最大通过线径的异常波动。

实施例3

本实施例提供一种3D打印线材的连续性制备示例，与实施例1基本相同，区别仅在于：

所述线材通过拉丝模加热块的温度为270℃。

所制备得到的3D打印线材与实施例1具有相似的圆形度、均匀性以及连续性，并且，本实施例的线材表面也无颗粒物聚集现象，未发生线径大于3D打印机最大通过线径的异常波动。实施例4

本实施例提供一种3D打印线材的连续性制备示例，与实施例1基本相同，区别仅在于：

所述线材通过拉丝模个数为8个，同样地，第一和第二拉丝模交叉组合。

所制备得到的3D打印线材与实施例1具有相似的圆形度、均匀性。由于随着线材通过拉丝模个数的增加，最终收卷到的复合线材连续性有所降低，对比两次实验结果，证实复合线材连续性降低约30％。本实施例的线材表面仍然未出现颗粒物聚集现象，未发生线径大于3D打印机最大通过线径的异常波动。

实施例5

本实施例提供一种3D打印线材的连续性制备示例，与实施例1基本相同，区别仅在于：

所述线材的控制收卷速率为0.8m/min，

所制备得到的3D打印线材与实施例1具有相似的圆形度、均匀性。但最终收卷到的复合线材连续性有所降低，对比两次实验结果，显示复合线材连续性降低约25％。本实施例的线材表面也无颗粒物聚集现象，未发生线径大于3D打印机最大通过线径的异常波动。

对比例1

本对比例提供一种3D打印线材的制备方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：

如图2所示，1#-4#拉丝模均为长度为470mm，工作区长度为332mm，定径区长度为94mm的拉丝模，其内径依次为800、600、500和450μm。

考虑到M-CF/PA半成品线材在经过拉丝模组之前呈扁平丝带状，为保证原始线材较为均匀地将尼龙包覆其中并进行逐渐压缩过程，即化“扁”为“圆”，线材所过第一个拉丝模应尽量选择长拉丝模，根据以往实践经验，拉丝模组合尺寸均选择470mm锥形模。

拉丝模组均使用长拉丝模(470mm)成本高；并且，上述长拉丝模定径区相对较长，由于摩擦阻力较大，M-CF/PA线材过拉丝模组收卷时，极易产生碳纤维断丝堵塞拉丝模内孔最终导致拉断线材，最大收卷长度小于100m，不能实现M-CF/PA线材连续性收卷。

对比例2

本对比例提供一种3D打印线材的制备方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：

如图3所示，1#-4#拉丝模均为长度为190mm，工作区长度为136mm，定径区长度为38mm的拉丝模，其内径依次为800、600、500和450μm。

考虑到M-CF/PA线材在拉丝模组时容易发现脆断现象，为实现M-CF/PA线材的连续收卷，本对比例中拉丝模组合尺寸均选择190mm圆形拉丝模，尺寸搭配情况如图3所示。

首先，本对比例中，短拉丝模(190mm)工作区、定径区均相对较短；首先，在过短拉丝模组时，尼龙与M-CF融合及包覆能力较差，导致收卷的M-CF/PA线材断面圆整度降低，断面出现尖锐的凸起，如图4a所示；其次，多余的尼龙不能完全刮除干净，导致收卷线材表面易聚集尼龙颗粒，收卷M-CF/PA线材表面形貌如图4b-图4c所示；

其次，如图5所示，收卷的M-CF/PA线材的部分位置的直径大于400μm，超出了3D打印机打印直径尺安全范围，线径超出打印标准会造成打印机进料管堵塞甚至不能进料。

最后，拉丝模组完全采用短拉丝模后，加速拉丝模内孔磨损消耗，短时间内部分拉丝模内孔受到收卷线材的破坏，从圆形逐渐变成椭圆形，最终导致该批拉丝模不能继续使用。

基于上述实施例和对比例，可以明确，本发明所提供的3D打印线材的连续制备方法与对比例1的方案相比，新型拉丝模组合方案能够降低一部分成本；连续收卷长度从几十米提高到300m以上，大幅提高了连续收卷线材的可能性。与对比例2中的方案相比，新型拉丝模组合方案能够提高M-CF/PA线材断面圆整度；降低线材表面尼龙颗粒聚集程度，即提高线材表面光滑程度；有效减小收卷线材的直径，将收卷线材线径控制在400μm以下，进而符合3D打印机对打印线材的线径要求。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3D打印线材的连续性制备方法，其特征在于，包括：

提供原始线材，所述原始线材包括线材主体以及高分子；

使所述原始线材通过拉丝组件进行拉拔处理，获得3D打印线材；

其中，所述拉丝组件包括沿所述原始线材的前进方向依次交替设置的第一拉丝模和第二拉丝模，且所述原始线材首先经过所述第一拉丝模，所述第一拉丝模的工作区和定径区的长度均大于所述第二拉丝模。

2.根据权利要求1所述的连续性制备方法，其特征在于，所述线材主体包括金属复合碳纤维、碳纤维树脂复合材料以及碳纤维中的任意一种或两种以上的组合；

和/或，所述高分子包括尼龙、聚苯硫醚、聚醚醚酮以及聚醚酮酮中的任意一种或两种以上的组合。

3.根据权利要求2所述的连续性制备方法，其特征在于，所述原始线材采用如下的方法获得：

使尼龙包覆于所述金属复合碳纤维表面后经过辊压，获得窄带状的所述原始线材；

优选的，所述原始线材的宽度为800-1500μm，厚度为180-300μm。

4.根据权利要求3所述的连续性制备方法，其特征在于，所述金属复合碳纤维中的丝束直径为300-400μm；

和/或，所述原始线材中，尼龙与金属复合碳纤维的质量比为60-50：40-50；

和/或，所述金属复合碳纤维表面的金属层包括铜、镍、铝、镁、钛中的任意一种或两种以上的组合。

5.根据权利要求3所述的连续性制备方法，其特征在于，所述第一拉丝模和第二拉丝模的拉丝孔均包括沿所述原始线材前进方向依次设置的入口区、润滑区、工作区、定径区以及出口区。

6.根据权利要求5所述的连续性制备方法，其特征在于，所述第一拉丝模的工作区长度为330-340μm，所述第二拉丝模的工作区长度为135-140μm；

和/或，所述第一拉丝模的工作区长度为第二拉丝模的2.3-2.6倍；

和/或，所述第一拉丝模的定径区长度为90-100μm，所述第二拉丝模的定径区长度为35-40μm；

和/或，所述第一拉丝模的定径区长度为第二拉丝模的2.2-2.9倍。

7.根据权利要求1所述的连续性制备方法，其特征在于，所述拉丝组件中，拉丝模的数量为3-9个；

和/或，所述拉丝组件中，拉丝模的内径沿所述原始纤维前进方向依次递减，相邻所述拉丝模的内径的差值为10-300μm；

优选的，沿所述原始纤维前进方向的最后一拉丝模的定径区直径为400-450μm。

8.根据权利要求1所述的连续性制备方法，其特征在于，所述拉拔处理的温度为230-270℃；

和/或，所述原始纤维的拉拔速度为0.1-1.0m/min。

9.由权利要求1-8中任意一项所述的连续性制备方法制得的3D打印线材，其特征在于，所述3D打印线材的连续性大于300m，横截面的椭圆度小于12％，表面粗糙度低于30μm，直径均匀性偏差小于5％。

10.一种3D打印线材的连续性制备系统，其特征在于，应用于权利要求1-8中任意一项所述的连续性制备方法中，并且，所述系统包括：

沿预定方向依次设置的释放装置、拉丝组件以及收集装置，所述释放装置用于释放原始线材，所述拉丝组件用于对所述原始线材进行拉拔处理使其转化为3D打印线材，所述收集装置用于收集所述3D打印线材；

其中，所述拉丝组件包括沿所述原始线材的前进方向依次交替设置的第一拉丝模和第二拉丝模，且使所述第一拉丝模设置于沿所述预定方向的第一位置，所述第一拉丝模的工作区和定径区的长度均大于所述第二拉丝模。

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