CN115214129A - 连续纤维增强复合材料3d打印头及打印机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及连续纤维增强复合材料3D打印头，包括打印头本体，所述打印头本体内部设置有送料通道，所述送料通道包括依次连接的圆形通道、渐变通道以及矩形通道，所述圆形通道的断面呈圆形，所述矩形通道的断面呈矩形。还涉及一种连续纤维增强复合材料3D打印机。本发明将现有圆形的送料通道改为圆形‑渐变‑矩形的送料通道，使得打印头喷出的打印丝断面呈矩形，在进行逐层打印时，每一层的相邻两根打印丝之间能够紧密接触，不留缝隙，相邻两层之间也能够紧密接触，不留缝隙，实现致密打印。固化后，产品内部不会产生间隙，可提高产品强度。
Description
技术领域
本发明属于连续纤维增强复合材料3D打印技术领域，尤其是一种连续纤维增强复合材料3D打印头及打印机。
背景技术
利用3D打印技术打印出的纤维增强复合材料制品，不仅具备高强度、高刚度、质量轻等特点，而且可以控制纤维的分布方向，从而控制制品的性能。纤维增强复合材料的3D打印技术无论是在民用还是军事上都具有重大的意义。例如，利用碳纤维复合材料制作汽车零部件，提升汽车性能并降低油耗；碳纤维复合材料产品涵盖航天光学遥感器的各个部位，如相机镜筒、相机支架、遮光罩、桁架等。依靠打印材料的快速发展和增材制造技术的日益成熟，基于纤维增强复合材料的3D打印技术将会应用到各行各业，推动制造产业的快速发展。
传统的3D打印头其成型过程树脂与连续纤维束经过圆形截面送料通道形成圆形截面复合线材，然后经过打印喷头处的圆形截面成型通道，成型挤出为圆形截面打印丝，冷却固化后，由于圆柱体不能像长方体一样在空间紧密堆积，打印丝堆叠时会产生间隙，从而在打印工件内部形成空洞，严重降低了工件的力学性能，导致现有的3D打印技术所构造出来的物体结构的致密性较差。虽然有学者或企业在零件的设计过程中采用结构拓扑优化的方式来优化力学性能，终究不能解决打印丝冷却固化后堆叠间隙的问题。
专利号为201610683124.3的发明专利连续纤维增强热塑性树脂基复合材料3D打印方法及打印头公开了一种纤维束与熔融热塑性树脂旋转共混后旋转挤出的方法，可将展平的大丝束纤维作为3D打印工艺的增强体，紧密缠绕的纤维密实程度高。专利号为201510633569.6的发明专利一种连续纤维增强复合材料3d打印的多级送丝打印头，所述的多级送丝打印头结构较为复杂，多种材料的混合使其成型构件具有较好的韧性。但是以上述两篇专利文献为代表的现有技术，均会出现从喷嘴挤出的圆形截面打印丝冷却固化后存在较大的堆积空隙的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种连续纤维增强复合材料3D打印头及打印机，可使打印丝紧密堆积，减小堆积空隙。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：连续纤维增强复合材料3D打印头，包括打印头本体，所述打印头本体内部设置有送料通道，所述送料通道包括依次连接的圆形通道、渐变通道以及矩形通道，所述圆形通道的断面呈圆形，所述矩形通道的断面呈矩形。
进一步地，所述打印头本体的外壁设置有第一加热套。
进一步地，所述矩形通道的出口外设置有冷却管。
进一步地，所述打印头本体包括喷嘴，所述喷嘴的厚度沿物料流动方向逐渐减小，所述矩形通道位于喷嘴内。
连续纤维增强复合材料3D打印机，包括打印机本体，所述打印机本体采用上述连续纤维增强复合材料3D打印头。
进一步地，所述打印机本体包括挤出机、树脂容腔和纤维喉管，所述挤出机与树脂容腔连通，所述纤维喉管的一端与树脂容腔连通，另一端伸出树脂容腔，所述树脂容腔上设置有纤维进口，所述纤维进口的中心线与纤维喉管的中心线重合。
进一步地，所述纤维进口内设置有防漏堵头，所述防漏堵头设置有中心通孔，且所述防漏堵头内端与纤维喉管的进料端之间密封配合，所述纤维喉管的侧壁设置有多个树脂进入孔。
进一步地，所述树脂容腔侧壁设置有第二加热套。
进一步地，所述树脂容腔内设置有温度传感器。
进一步地，所述打印头本体通过螺纹连接纤维喉管的出料端。
本发明的有益效果是：本发明将现有圆形的送料通道改为圆形-渐变-矩形的送料通道，使得打印头喷出的打印丝断面呈矩形，在进行逐层打印时，每一层的相邻两根打印丝之间能够紧密接触，不留缝隙，相邻两层之间也能够紧密接触，不留缝隙，实现致密打印。固化后，产品内部不会产生间隙，可提高产品强度。
附图说明
图1是本发明打印头的示意图；
图2是本发明打印机本体的示意图；
附图标记：1—连续纤维；2—防漏堵头；3—树脂容腔；4—第二加热套；5—温度传感器；6—纤维喉管；7—挤出机；8—树脂；9—挤出口；10—圆形截面复合线材；11—打印头本体；12—第一加热套；13—圆形通道；14—渐变通道；15—矩形通道；16—冷却管；17—喷嘴；18—矩形截面复合线材。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的连续纤维增强复合材料3D打印头，在实际使用过程中能够挤出致密堆积的连续纤维增强复合材料线材，如图1所示，包括打印头本体11，打印头本体11可以采用金属材料，如不锈钢等。所述打印头本体11内部设置有送料通道，所述送料通道包括依次连接的圆形通道13、渐变通道14以及矩形通道15，所述圆形通道13的断面呈圆形，所述矩形通道15的断面呈矩形。
打印头本体11的进料端为圆形通道13，与传统打印机的通道形状一致，可直接用于现有的3D打印机。渐变通道14从圆形渐变为矩形，在打印时，可以使打印丝的断面由圆形逐渐变为矩形。当打印丝的断面呈矩形时，相邻两根打印丝之间能够紧密接触，消除缝隙，在逐层打印过程中，每一层材料的相邻两打印丝之间不会出现间隙，相邻两层材料的打印丝之间也不会出现间隙，从而实现致密打印，减少产品的内部缺陷，提高产品的质量。
所述打印头本体11的外壁设置有第一加热套12，第一加热套12用于对打印头本体11进行保温，保证打印丝的流动性。第一加热套12为多个，在打印丝的前进方向上，各个第一加热套12的加热温度逐渐降低，保证一定的塑化质量，有利于连续打印。
所述矩形通道15的出口外设置有冷却管16，冷却管16成对设置，在打印的过程中可以将高速冷却气流吹向打印丝，使得打印丝快速固化。
所述打印头本体11包括喷嘴17，所述矩形通道15位于喷嘴17内。喷嘴17作为打印丝的出口，所述喷嘴17的厚度或者外径沿打印丝流动方向逐渐减小，减小喷嘴17的体积，在特殊情况下可以打印结构更加复杂的零件。
连续纤维增强复合材料3D打印机，包括打印机本体，打印机本体可采用现有的各种用于连续纤维增强复合材料打印的3D打印机，将本发明的打印头安装在常规3D打印机的X-Y运动控制机构上，就能够实现打印头在X-Y方向上的精密运动。3D打印机的底板可以实现Z方向的运动，接触到喷嘴17，即可在底板上打印零件。
作为本发明优选的实施方式：所述打印机本体包括挤出机7、树脂容腔3和纤维喉管6，所述挤出机7与树脂容腔3连通，所述纤维喉管6的一端与树脂容腔3连通，另一端伸出树脂容腔3，所述树脂容腔3上设置有纤维进口，所述纤维进口的中心线与纤维喉管6的中心线重合。
挤出机7具有挤出口9，挤出口9与树脂容腔3相连，用于将树脂8挤出至树脂容腔3内。挤出机7可采用双螺杆挤出机，挤出速率根据材料的打印速度和纤维的丝束尺寸来确定。树脂容腔3用于存储树脂8，纤维进口用于通入连续纤维1。树脂容腔3为传热良好的金属材质，可以为不锈钢、铜、铁、铝等金属箱体结构。纤维喉管6具有圆形的内腔，用于连续纤维1与树脂8混合，使得树脂8包裹连续纤维1，形成圆形截面复合线材10，即打印丝。所述打印头本体11通过螺纹连接纤维喉管6的出料端，拆卸方便，可以根据不同的连续纤维含量进行调整或更换打印头，以适应不同尺寸的连续纤维，相对现有技术而言，具有实用性强、适应范围广的优点。
为了防止树脂容腔3内的树脂8外漏，所述纤维进口内设置有防漏堵头2，所述防漏堵头2设置有中心通孔，中心通孔用于供连续纤维1进入，中心通孔与纤维喉管6同轴，确保连续纤维1处于直线状态。所述防漏堵头2内端与纤维喉管6的进料端之间密封配合，防漏堵头2可采用金属材质，通过螺纹与纤维喉管6相连。所述纤维喉管6的侧壁设置有多个树脂进入孔，树脂容腔3内的树脂8可通过树脂进入孔进入纤维喉管6并包裹连续纤维1，树脂进入孔均匀分布，使得树脂能够均匀进入纤维喉管6并均匀包裹连续纤维1。树脂进入孔为斜孔，其与树脂容腔3相连的一端靠近纤维喉管6的进口端，与纤维喉管6内腔相连的一端靠近纤维喉管6的出口端，使得树脂8进入纤维喉管6后能够沿着打印丝的流动方向流动，以带动连续纤维1挤出，防止树脂8反向流动导致树脂8从防漏堵头2的中心通孔漏出。具体地，树脂进入孔与纤维喉管6之间的角度为30°-75°。此外，树脂进入孔的孔口处需要进行倒圆角处理，圆角结构能够减少预浸丝材的摩擦损伤，在预浸丝材的实际打印中起至关重要的作用。
纤维喉管6与防漏堵头2之间的螺纹以及纤维喉管6与打印头本体11之间的螺纹均为矩形螺纹或梯形螺纹。经过实验研究得知，当螺纹为矩形螺纹或梯形螺纹时，树脂8溢出的可能性更小。
所述树脂容腔3侧壁设置有第二加热套4，第二加热套4用于对树脂容腔3内的树脂8进行保温，保证树脂的流动性。第二加热套4嵌入树脂容腔3的外侧壁。所述树脂容腔3内设置有温度传感器5，用于检测温度，以便于控制树脂容腔3内的树脂8温度。
本发明的工作过程为：在打印之前，先将连续纤维1穿过纤维喉管6，并将树脂8加入挤出机7，同时第二加热套4和第一加热套12通电进行预热。树脂8熔融后在挤出机7的作用下进入树脂容腔3并保持熔融状态，然后从纤维喉管6上的树脂进入孔挤进纤维喉管6内，并在树脂进入孔的导流作用下沿着打印丝流动方向流动，从而包裹在连续纤维1的周围，并带动连续纤维1挤出，从而形成圆形截面复合线材10。圆形截面复合线材10运动至纤维喉管6出口端后进入打印头本体11，在多个第一加热套12的作用下，圆形截面复合线材10外层聚合物在高温下逐渐变软，形成熔融状态，经过圆形通道13、渐变通道14以及矩形通道15后渐变为矩形截面复合线材18，然后由喷嘴17挤出，形成截面为矩形的复合材料线材。冷却管16朝复合材料线材吹高速冷却气流，使复合材料线材快速固化。
本发明采用的树脂8可以是聚丙烯，聚乙烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲脂，聚甲醛，聚酰胺，聚碳酸酯，聚苯醚，聚砜，聚四氟乙烯，聚对苯二酸酯类，聚苯基硫醚，聚醚酰亚胺，聚醚酮，聚醚醚酮，聚醚酮酮等单一耗材,也可以是多种热塑性耗材的组合，耗材可以是颗粒或者线材。
本发明采用的连续纤维丝束可以是氧化铝，碳化硅，氮化硅等陶瓷纤维，也可以是聚对苯二甲酰对苯二胺，聚酰胺，聚丙烯腈，聚乙烯醇缩甲醛，聚丙烯，聚酯等聚合物纤维，也可以是碳纤维、石墨纤维，玻璃纤维，硼纤维，金属丝等单一纤维，也可以是上述多种连续纤维的组合。
在打印的过程中，连续纤维1始终处于直线状态，并且位于纤维喉管6、圆形通道13、渐变通道14以及矩形通道15的正中心位置，从而提高树脂与连续纤维的粘结效果，保证打印质量。
本发明保证连续纤维1与聚合物同步挤出，使连续纤维丝在打印产品有序排列，最终使得打印喷头挤出的复合材料线材之间致密堆积。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.连续纤维增强复合材料3D打印头，包括打印头本体(11)，所述打印头本体(11)内部设置有送料通道，其特征在于：所述送料通道包括依次连接的圆形通道(13)、渐变通道(14)以及矩形通道(15)，所述圆形通道(13)的断面呈圆形，所述矩形通道(15)的断面呈矩形。
2.如权利要求1所述的连续纤维增强复合材料3D打印头，其特征在于：所述打印头本体(11)的外壁设置有第一加热套(12)。
3.如权利要求1所述的连续纤维增强复合材料3D打印头，其特征在于：所述矩形通道(15)的出口外设置有冷却管(16)。
4.如权利要求1所述的连续纤维增强复合材料3D打印头，其特征在于：所述打印头本体(11)包括喷嘴(17)，所述喷嘴(17)的厚度沿物料流动方向逐渐减小，所述矩形通道(15)位于喷嘴(17)内。
5.连续纤维增强复合材料3D打印机，包括打印机本体，其特征在于：所述打印机本体采用如权利要求1、2、3或4所述的连续纤维增强复合材料3D打印头。
6.如权利要求5所述的连续纤维增强复合材料3D打印机，其特征在于：所述打印机本体包括挤出机(7)、树脂容腔(3)和纤维喉管(6)，所述挤出机(7)与树脂容腔(3)连通，所述纤维喉管(6)的一端与树脂容腔(3)连通，另一端伸出树脂容腔(3)，所述树脂容腔(3)上设置有纤维进口，所述纤维进口的中心线与纤维喉管(6)的中心线重合。
7.如权利要求6所述的连续纤维增强复合材料3D打印机，其特征在于：所述纤维进口内设置有防漏堵头(2)，所述防漏堵头(2)设置有中心通孔，且所述防漏堵头(2)内端与纤维喉管(6)的进料端之间密封配合，所述纤维喉管(6)的侧壁设置有多个树脂进入孔。
8.如权利要求6所述的连续纤维增强复合材料3D打印机，其特征在于：所述树脂容腔(3)侧壁设置有第二加热套(4)。
9.如权利要求6所述的连续纤维增强复合材料3D打印机，其特征在于：所述树脂容腔(3)内设置有温度传感器(5)。
10.如权利要求6所述的连续纤维增强复合材料3D打印机，其特征在于：所述打印头本体(11)通过螺纹连接纤维喉管(6)的出料端。
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