CN116001141A - 用于3d打印的异型连续纤维预浸料的生产装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置及方法，方法为：将连续纤维束在树脂熔体中浸渍后从异形口模中穿出后冷却制得用于3D打印的异型连续纤维预浸料；异形口模为横截面呈正星形的口模，正星形为n边形，边长为l，连续纤维束的直径为d，l>π×d/n；生产装置包括熔融浸渍池，熔融浸渍池的外部设有与熔融浸渍池入口连接的供连续纤维束穿过的纤维束限位孔，内部设有加热器以及与熔融浸渍池出口连接的异形口模，顶部设有热塑性树脂加料机。本发明的方法提升了纤维‑基体界面的结合力，同时提升了制件的综合力学性能和使用寿命；本发明的装置实现了连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印生产，方便简单。

Description

用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置及方法

技术领域

本发明属于先进复合材料技术领域，具体涉及一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置及方法。

背景技术

近年来各领域对轻质高强、快速和精准制造以及环保、可持续发展的需求逐渐提高，使纤维增强热塑性复合材料得到了较快的发展，增长速度逐渐赶超纤维增强热固性复合材料。纤维增强热塑性复合材料中又以连续纤维增强的效果为最佳。当连续纤维增强热塑性复合材料受力时，作为增强部分的连续纤维是负载的主要受体，纤维的连续性可以让负载有效地从热塑性基体传递到增强纤维上。因此，连续纤维增强热塑性复合材料可以满足某些实际应用场景下的高强需求，同时兼备轻质、高抗疲劳性、结构功能一体化等多种优良特性。特别是以高热性能热塑性树脂(如PEEK、PEKK等)作为基体的该类复合材料已逐渐在交通运输、工业制造、国防军事以及航天航空等高技术领域得到了良好应用。

目前，连续纤维增强热塑性复合材料的成型方法已较为丰富，部分成型工艺已较为成熟。但制品精度较低、产品可定制化程度和生产智能化程度不高、只限于生产大型器件以及设备成本高是主流成型工艺存在的问题。由此，作为3D打印工艺的代表——熔融沉积成型技术(Fused Deposition Modelling,FDM)的出现为连续纤维增强热塑性复合材料的加工成型提供了全新的可能。

迄今为止使用FDM技术进行连续纤维增强热塑性复合材料成型的实现路径主要有三种，一是增强纤维与热塑性线材分别从两个3D打印喷头中挤出，通过基体沉积-增强纤维沉积-基体沉积的方式完成成型；二是先制备出可满足FDM工艺要求的连续纤维热塑性预浸线材，然后使用这种预浸线材通过单3D打印喷头完成成型；三是热塑性线材和连续纤维同时进入经过改造的特殊3D打印喷头，树脂在3D打印喷头中完成熔融和对纤维的浸渍，然后包裹着连续纤维从喷嘴中挤出，沉积成型。其中，第三种方法的成型精度较高、基体材料选择无限制且摆脱了对预浸料和双3D打印喷头的依赖，是目前FDM制备连续纤维增强热塑性复合材料中可行性最高的方案。

但基体与增强纤维在打印喷头中仅有的一次浸渍是不充分的，特别是采用市售的表面具有环氧类上浆剂的碳纤维丝束时，热塑性基体在熔融状态下仍具有较高的粘度，很难完全渗透到连续碳纤维丝束中，只能松散分布在其周围，严重影响了基体与增强纤维之间的界面结合，从而造成制品最终的综合力学性能表现较差，相比于使用传统工艺最终制得的复合材料有很大差距。因此，如何改善纤维-基体之间的界面结合成为使用该方法制备复合材料时需要解决的重点问题。改善界面结合的主要手段为纤维表面改性，目前，已开发出的适用于FDM的连续纤维表面改性的方案有提前生产预浸线材、等离子体处理等手段，这些方案使生产步骤繁琐，或带来了较高的设备成本，特别是对于高热性能热塑性基体(如PEKK、PEEK等)的针对性不强，严重限制了3D打印技术在制备高性能纤维增强复合材料领域的应用。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种制备异型连续纤维预浸料的装置和方法，本发明能够显著解决连续纤维束与热塑性基体在3D打印过程中界面结合弱的问题，改善制件的各向异性，有效提升制件的力学性能。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，将连续纤维束在树脂熔体中浸渍后从异形口模中穿出后冷却制得用于3D打印的异型连续纤维预浸料；

异形口模为横截面呈正星形的口模(异形口模的作用是对连续纤维束进行塑形，从而实现其在后续3D打印过程中与热塑性基体界面的紧密结合)，正星形为n边形，边长为l，连续纤维束的直径为d，l>π×d/n。

异形口模使得连续纤维预浸料的横截面呈正星形，正星形的形状使得树脂与纤维接触面积的增大，而接触面积的增大可以有效实现3D打印过程中纤维与树脂的紧密结合，以直径为1mm、长度为100mm的连续纤维预浸料为例，若其横截面是普通的圆形，则其在3D打印过程中与树脂接触的最大面积(即其侧边面积)约为314mm²；若其横截面为正星形且正星形为八边形，则其在3D打印过程中与树脂接触的最大面积(即其侧边面积)约为433mm²，较圆形截面的连续纤维预浸料提升约38％，因此，异形口模使得后续3D打印过程中纤维与树脂紧密结合。

为保证具有正星形截面的连续纤维预浸料与树脂的接触面积大于普通圆形截面连续纤维预浸料，正星形截面的周长要大于同尺寸圆形的周长，因此，设定纤维束直径(即异形口模内径)为d，对于边长为l的正星形n边形来说，有n*l＞π*d。

异形口模的横截面除了呈正星形，还可以呈其他的边缘带有沟槽的形状，例如齿轮状等，总之理论上，只要生产出的预浸线材的截面边缘带有沟槽，便可以达到在后续3D打印过程中使纤维与树脂紧密结合的效果，由于3D打印技术对制品的精度要求很高，因此适用于3D打印的连续纤维预浸料截面直径一般不超过1mm，在如此微小的尺寸下加工出除正星形多边形以外的“其他的边缘带有沟槽的形状”的异形口模，在实际上加工难度较高，因此本发明仅选择了正星形。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，所述树脂为在温度为350℃且负荷(即压杆与砝码的总重量)为2.16kg条件下熔融指数≤5g/10min的聚醚醚酮(PEEK)或聚醚酮酮(PEKK)，或者为在温度为320℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数>5g/10min且≤10g/10min的聚醚酰亚胺(PEI)，或者为在温度为240℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数>5g/10min且≤10g/10min的聚偏氟乙烯(PVDF)，或者为在温度为180℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数>10g/10min的聚乳酸(PLA)，或者为在温度为200℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数>10g/10min的聚酰胺(PA6/PA66)，或者为在温度为190℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数>10g/10min的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)，或者为在温度为180℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数>10g/10min的聚丙烯(PP)，本发明中高聚物原料的熔融指数只限定在指定温度下的熔融指数，不涉及时间。

如上所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，当树脂为聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)或聚醚酰亚胺(PEI)时，所述树脂熔体的温度为320～350℃；当树脂为聚酰胺(PA6/PA66)或聚偏氟乙烯(PVDF)时，所述树脂熔体的温度为200～250℃；当树脂为聚乳酸(PLA)、聚丙烯(PP)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)时，所述树脂熔体的温度为180～200℃。

如上所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，当树脂为聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)或聚醚酰亚胺(PEI)时，所述浸渍时连续纤维束的张力为15～20N；当树脂为聚乳酸(PLA)、聚酰胺(PA6/PA66)或聚偏氟乙烯(PVDF)时，所述浸渍时连续纤维束的张力为10～15N；当树脂为聚丙烯(PP)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)时，所述浸渍时连续纤维束的张力为5～10N。

如上所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，所述浸渍的时间t＝L/v；L为浸渍在树脂熔体中的连续纤维束的长度，单位为mm；v的单位为mm/s；当树脂为聚醚醚酮(PEEK)或聚醚酮酮(PEKK)时，v为2mm/s；当树脂为聚醚酰亚胺(PEI)或聚偏氟乙烯(PVDF)时，v为2～6mm/s；当树脂为聚乳酸(PLA)、聚酰胺(PA6/PA66)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)或聚丙烯(PP)时，v为6～10mm/s。

如上所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，连续纤维束为单丝数量为1000的碳纤维束。

本发明还提供一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，包括熔融浸渍池，熔融浸渍池的外部设有与熔融浸渍池入口连接的供连续纤维束穿过的纤维束限位孔，内部设有加热器以及与熔融浸渍池出口连接的异形口模，顶部设有热塑性树脂加料机；异形口模为横截面呈正星形的口模，正星形为n边形，边长为l，连续纤维束的直径为d，l>π×d/n；纤维束限位孔旨在固定连续纤维束进入浸渍吃位点的同时防止纤维拨出，熔融浸渍池入口与浸渍池壁相连，从而避免熔体溢漏以及纤维丝束在入口处的擦挂；异形口模旨在后续3D打印实施过程中更好地与基体实现结合地同时保证预浸纤维丝束的顺利制备；

作为优选的技术方案：

如上所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，熔融浸渍池的内部还有连续纤维束张紧机构，作用是调节纤维丝束的张紧力，进而控制熔体对连续纤维束的渗透程度。

如上所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，连续纤维束张紧机构由沿纤维运行方向顺序排列的第一浸渍辊、第二浸渍辊和第三浸渍辊组成，第二浸渍辊位于第一浸渍辊与第三浸渍辊之间，且位于二者的下方；第一浸渍辊与第二浸渍辊的水平距离为60±5mm，竖直距离为80±5mm；第二浸渍辊与第三浸渍辊的水平距离为60±5mm，竖直距离为80±5mm；纤维束限位孔与第一浸渍辊的水平距离为80±5mm，竖直距离为60±5mm；异形口模与第三浸渍辊的水平距离为50±5mm，竖直距离为5±1mm。

如上所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，还包括沿纤维运行方向位于熔融浸渍池出口前方的冷却器，冷却器内设有第一冷却风扇和第二冷却风扇；熔融浸渍池出口与冷却器的水平距离为1～3cm。

如上所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，还包括沿纤维运行方向位于冷却器前方的牵引机，牵引机内设有第一卷轮和第二卷轮；冷却器与牵引机的水平距离为5～10cm；第一卷轮和第二卷轮的转速为2～10mm/s，通过调整牵引机转速控制纤维丝束的运动速度，以契合不同粘度的熔体对其进行有效浸渍。

如上所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，纤维束限位孔的材质为表面光滑的陶瓷材质，熔融浸渍池入口为喇叭状，浸渍池出口为闸门式开关口由开关杆操纵，旨在用于更换异形口模。

如上所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，热塑性树脂加料机的加料口为锥形漏斗状，加料口下接入料管；热塑性树脂加料机内置电控螺杆，以使热塑性树脂粒料匀速地进入浸渍池中。

如上所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，冷却器中的第一冷却风扇和第二冷却风扇与与纤维丝束之间设有导热铜板，设置导热铜板的目的是为了隔开第一冷却风扇、第二冷却风扇与纤维丝束，防止高速气流对预浸丝束的成型产生不利影响。

有益效果

(1)本发明装置，根据热塑性树脂纤维预浸料的生产过程中的工艺特点，通对加装异形口模使连续纤维预浸丝束形成有有效的异形截面，配合熔融浸渍设备对连续纤维束进行有效浸渍和渗透，同时对装置各组成部分的处理和工艺参数进行优化，可以有效解决3D打印过程中基体与增强纤维结合不紧密、无法产生有效界面结合等问题，同时有助于实现双组分连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印生产，有效实现制件的结构-功能一体化目标；

(2)本发明可通过在复合材料材料3D打印挤出过程前对连续增强纤维进行改善，使其更适用于3D打印工艺制备连续纤维增强热塑性复合材料，本发明方法能够使用于3D打印的连续增强纤维束产生异形截面，这种异形截面的存在可以使热塑性基体在3D打印过程中有效地附作于增强纤维上，打印基体与预浸丝束之间良好的相容性可以显著提升纤维-基体界面的结合，有效减低3D打印制件在服役过程中由于若界面结合力而造成的应力失效以及明显的各项异性，提升制件的综合力学性能和使用寿命，对于制造高性能复杂结构连续纤维增强热塑性复合材料制品意义重大。

附图说明

图1为本发明生产连续纤维热塑性预浸丝束装置示意图；

图2为本发明的正星形为正四边形的异形口模示意图，其中(a)为纵截面示意图，(b)为立体结构示意图；

图3为本发明的正星形为正六边形的异形口模示意图，其中(a)为纵截面示意图，(b)为立体结构示意图；

图4为本发明使用正四边形的异形口模时生产的用于3D打印的异型连续纤维预浸料的截面示意图；

图5为本发明使用正六边形的异形口模时生产的用于3D打印的异型连续纤维预浸料的截面示意图；

其中，1-1-连续纤维束，2-纤维卷筒，3-纤维束限位孔，4-1-熔融浸渍池入口，4-2-第一浸渍辊，4-3-第二浸渍辊，4-4-第三浸渍辊，4-5-异形口模，4-6-熔融浸渍池出口，5-热塑性树脂加料机，5-1-加料口，6-冷却器，6-1-第一冷却风扇，6-2-第二冷却风扇，7-牵引机，7-1-第一卷轮，7-2-第二卷轮，8-具有异形截面的连续纤维束，8-1-树脂。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，如图1～3所示，包括纤维卷筒2、熔融浸渍池、冷却器6和牵引机7；

熔融浸渍池的外部设有与熔融浸渍池入口4-1连接的供连续纤维束1-1穿过的纤维束限位孔3，内部设有加热器、连续纤维束张紧机构以及与熔融浸渍池出口4-6连接的异形口模4-5，顶部设有热塑性树脂加料机5；异形口模4-5为横截面呈正星形的口模，正星形为n边形，边长为l，连续纤维束1-1的直径为d，

其中，图2～3分别显示的是正星形为正四边形、正六边形的异形口模示意图；

连续纤维束张紧机构由沿纤维运行方向顺序排列的第一浸渍辊4-2、第二浸渍辊4-3和第三浸渍辊4-4组成，第二浸渍辊4-3位于第一浸渍辊4-2与第三浸渍辊4-4之间，且位于二者的下方；第一浸渍辊4-2与第二浸渍辊4-3的水平距离为60±5mm，竖直距离为80±5mm；第二浸渍辊4-3与第三浸渍辊4-4的水平距离为60±5mm，竖直距离为80±5mm；纤维束限位孔3与第一浸渍辊4-2的水平距离为80±5mm，竖直距离为60±5mm；异形口模4-5与第三浸渍辊4-4的水平距离为50±5mm，竖直距离为5±1mm；

沿纤维运行方向，冷却器6位于熔融浸渍池出口4-6前方，冷却器6内设有第一冷却风扇6-1和第二冷却风扇6-2；熔融浸渍池出口4-6与冷却器6的水平距离为1～3cm；

沿纤维运行方向，牵引机7位于冷却器6前方，牵引机7内设有第一卷轮7-1和第二卷轮7-2；冷却器6与牵引机7的水平距离为5～10cm；第一卷轮7-1和第二卷轮7-2的转速为2～10mm/s。

采用上述装置的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，具体步骤如下：

(1)原料的准备；

树脂8-1；

连续纤维束1-1：单丝数量为1000的碳纤维束；

(2)将连续纤维束1-1利用穿针从纤维卷筒2拉出依次穿过纤维束限位孔3，然后进入熔融浸渍池入口4-1；

(3)将连续纤维束1-1依次穿过熔融浸渍池内的第一浸渍辊4-2、第二浸渍辊4-3、第三浸渍辊4-4，使连续纤维束1-1在熔融浸渍池中形成“V”型状，然后再依次经过异形口模4-5、熔融浸渍池出口4-6、冷却器6固定于牵引机7中的第一卷轮7-1和第二卷轮7-2之间，以形成一定的张力；

(4)打开熔融浸渍池的加热器，调节到可熔融树脂的温度后，将树脂加入到热塑性树脂加料机5的加料口5-1中，待树脂的加料量接近熔融浸渍池的容量限时，开启牵引机7；

(5)待从熔融浸渍池中引出的连续纤维束1-1表面出现树脂熔体时，打开冷却器6，使得第一冷却风扇6-1和第二冷却风扇6-2高速转动，以使树脂熔体冷却成型，形成具有异形截面的连续纤维束8，即用于3D打印的异型连续纤维预浸料；

其中，连续纤维束1-1在熔融浸渍池中的浸渍的时间为t＝L/v；L为浸渍在树脂熔体中的连续纤维束1-1的长度，单位为mm；v的单位为mm/s。

如图4～5所示，分别为使用正四边形、正六边形的异形口模时生产的用于3D打印的异型连续纤维预浸料的截面示意图，最终制得的用于3D打印的异型连续纤维预浸料由连续纤维束1-1和树脂8-1组成。

现结合具体实施例进行说明，需知，以下各实施例中涉及的性能指标的测试方法如下：

层间剪切强度：根据JC/T 773-2010《纤维增强塑料短梁法测定层间剪切强度》测试3D打印连续纤维增强热塑性复合材料的层间剪切强度。

弯曲强度：根据GB T 1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》测试3D打印连续纤维增强热塑性复合材料的弯曲强度。

拉伸强度：根据GB 1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》测试3D打印连续纤维增强热塑性复合材料的拉伸强度。

实施例1

一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，包括纤维卷筒、熔融浸渍池、冷却器和牵引机；

熔融浸渍池的外部设有与熔融浸渍池入口连接的供连续纤维束穿过的纤维束限位孔，内部设有加热器、连续纤维束张紧机构以及与熔融浸渍池出口连接的异形口模，顶部设有热塑性树脂加料机；异形口模为横截面呈正星形的口模，正星形为n边形，边长为l，连续纤维束的直径为d，l>π×d/n；n为8，l为0.25mm，d为0.6mm；

连续纤维束张紧机构由沿纤维运行方向顺序排列的第一浸渍辊、第二浸渍辊和第三浸渍辊组成，第二浸渍辊位于第一浸渍辊与第三浸渍辊之间，且位于二者的下方；第一浸渍辊与第二浸渍辊的水平距离为60mm，竖直距离为80mm；第二浸渍辊与第三浸渍辊的水平距离为60mm，竖直距离为80mm；纤维束限位孔与第一浸渍辊的水平距离为80mm，竖直距离为60mm；异形口模与第三浸渍辊的水平距离为50mm，竖直距离为5mm；

沿纤维运行方向，冷却器位于熔融浸渍池出口前方，冷却器内设有第一冷却风扇和第二冷却风扇；熔融浸渍池出口与冷却器的水平距离为3cm；

沿纤维运行方向，牵引机位于冷却器前方，牵引机内设有第一卷轮和第二卷轮；冷却器与牵引机的水平距离为10cm；第一卷轮和第二卷轮的转速为7mm/s。

采用上述装置的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，具体步骤如下：

(1)原料的准备；

树脂：在温度为200℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数为17.6g/10min的聚酰胺6；

连续纤维束：单丝数量为1000的碳纤维束，碳纤维束的直径(即d)为0.6mm；

(2)将连续纤维束利用穿针从纤维卷筒拉出依次穿过纤维束限位孔，然后进入熔融浸渍池入口；

(3)将连续纤维束依次穿过熔融浸渍池内的第一浸渍辊、第二浸渍辊、第三浸渍辊，使连续纤维束在熔融浸渍池中形成“V”型状，然后再依次经过异形口模、熔融浸渍池出口、冷却器固定于牵引机中的第一卷轮和第二卷轮之间，以形成12N的张力；

(4)打开熔融浸渍池的加热器，调节到可熔融树脂的温度(即树脂熔体的温度)后，将树脂加入到热塑性树脂加料机的加料口中，待树脂的加料量接近熔融浸渍池的容量限时，开启牵引机；其中，树脂熔体的温度为200℃；

(5)待从熔融浸渍池中引出的连续纤维束表面出现树脂熔体时，打开冷却器，使得第一冷却风扇和第二冷却风扇高速转动，以使树脂熔体冷却成型，形成具有异形截面的连续纤维束，即用于3D打印的异型连续纤维预浸料；

其中，连续纤维束在熔融浸渍池中的浸渍的时间为t＝L/v；L为浸渍在树脂熔体中的连续纤维束的长度，单位为mm；v的单位为mm/s，数值和第一卷轮和第二卷轮的转速相同。

最终制得的用于3D打印的异型连续纤维预浸料由连续纤维束和树脂组成。

以上述用于3D打印的异型连续纤维预浸料和聚酰胺6线材(厂商为3DXTECH，牌号为AmideX^TM Nylon6)为原料，进行3D打印制备复合材料，具体打印过程为：热塑性线材(聚酰胺6线材)与异型连续纤维预浸料同时进入具有双进料口的加热喷头，并在挤出前从喷头内结合，实现原位浸渍，在驱动齿轮的推动下，熔融的热塑性树脂从喷嘴中挤出，并连带异型连续纤维预浸料一起沉积在加热底板上，随后逐层沉积，制备出3D打印复合材料，在此过程中设置3D打印温度为220℃，层厚为0.2mm，走线距离为0.5mm，打印速度为2mm/s后，进行3D打印，制得复合材料。

最终制得的复合材料的层间剪切强度为34.63MPa，弯曲强度为544.62MPa，拉伸强度为620.23MPa。

对比例1

一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，基本同实施例1，不同之处仅在于实施例1的异形口模被替换为横截面呈圆形且直径为0.8mm的口模。

一种复合材料的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于实施例1的用于3D打印的异型连续纤维预浸料被替换为对比例1制备的用于3D打印的异型连续纤维预浸料。

最终制得的复合材料的层间剪切强度为24.09MPa，弯曲强度为301.93MPa，拉伸强度为535.65MPa。

与实施例1相比，对比例1的层间剪切强度、弯曲强度、拉伸强度都不如实施例1，这是因为具有异形截面的连续纤维预浸丝在3D打印过程中与热塑性丝材进行原位结合时拥有更大的表面积，可以更加充分地与基体材料进行融合，有效增强了3D打印制品的基体-基体界面以及基体-纤维界面，从而有效增强了产品的力学性能。

对比例2

一种复合材料的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于将实施例1中原料中的用于3D打印的异型连续纤维预浸料替换为实施例1中步骤(1)的连续纤维束。

最终制得的复合材料的层间剪切强度为16.21MPa，弯曲强度为229.32MPa，拉伸强度为279.53MPa。

与实施例1相比，对比例2的层剪切强度，弯曲强度、拉伸强度都不如实施例1，这是因为普通纤维束无法与树脂形成有效浸渍，因此3D打印的复合材料难以具备纤维与基体之间的界面结合，导致制品的力学性能低下。

对比例3

一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，基本同实施例1，不同之处仅在于l为0.2mm(即l<π×d/n)。

一种复合材料的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于实施例1的用于3D打印的异型连续纤维预浸料被替换为对比例3制备的用于3D打印的异型连续纤维预浸料。

最终制得的复合材料的层间剪切强度为19.75MPa，弯曲强度为373.28MPa，拉伸强度为405.21MPa。

与实施例1相比，对比例3的层间剪切强度、弯曲强度、拉伸强度都不如实施例1，这是因为此时的连续纤维预浸丝虽然具有异形截面，但由于l<π×d/n，导致其表面积并没有明显大于普通的截面为圆形的预浸料，因此在3D打印过程中与热塑性丝材进行原位结合时接触面积产生了降低，不利于基体材料与异型连续纤维预浸料进行融合，无法有效增强3D打印制品的基体-基体界面以及基体-纤维界面，从而无法有效增强了产品的力学性能。

实施例2

一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，包括纤维卷筒、熔融浸渍池、冷却器和牵引机；

熔融浸渍池的外部设有与熔融浸渍池入口连接的供连续纤维束穿过的纤维束限位孔，内部设有加热器、连续纤维束张紧机构以及与熔融浸渍池出口连接的异形口模，顶部设有热塑性树脂加料机；异形口模为横截面呈正星形的口模，正星形为n边形，边长为l，连续纤维束的直径为d，l>π×d/n；n为8，l为0.4mm，d为0.6mm；

连续纤维束张紧机构由沿纤维运行方向顺序排列的第一浸渍辊、第二浸渍辊和第三浸渍辊组成，第二浸渍辊位于第一浸渍辊与第三浸渍辊之间，且位于二者的下方；第一浸渍辊与第二浸渍辊的水平距离为60mm，竖直距离为80mm；第二浸渍辊与第三浸渍辊的水平距离为60mm，竖直距离为80mm；纤维束限位孔与第一浸渍辊的水平距离为80mm，竖直距离为60mm；异形口模与第三浸渍辊的水平距离为45mm，竖直距离为5mm；

沿纤维运行方向，冷却器位于熔融浸渍池出口前方，冷却器内设有第一冷却风扇和第二冷却风扇；熔融浸渍池出口与冷却器的水平距离为1cm；

沿纤维运行方向，牵引机位于冷却器前方，牵引机内设有第一卷轮和第二卷轮；冷却器与牵引机的水平距离为5cm；第一卷轮和第二卷轮的转速为2mm/s。

采用上述装置的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，具体步骤如下：

(1)原料的准备；

树脂：在温度为350℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数为4.7g/10min的聚醚醚酮；

连续纤维束：单丝数量为1000的碳纤维束，碳纤维束的直径(即d)为0.6mm；

(2)将连续纤维束利用穿针从纤维卷筒拉出依次穿过纤维束限位孔，然后进入熔融浸渍池入口；

(3)将连续纤维束依次穿过熔融浸渍池内的第一浸渍辊、第二浸渍辊、第三浸渍辊，使连续纤维束在熔融浸渍池中形成“V”型状，然后再依次经过异形口模、熔融浸渍池出口、冷却器固定于牵引机中的第一卷轮和第二卷轮之间，以形成19N的张力；

(4)打开熔融浸渍池的加热器，调节到可熔融树脂的温度(即树脂熔体的温度)后，将树脂加入到热塑性树脂加料机的加料口中，待树脂的加料量接近熔融浸渍池的容量限时，开启牵引机；其中，树脂熔体的温度为350℃；

(5)待从熔融浸渍池中引出的连续纤维束表面出现树脂熔体时，打开冷却器，使得第一冷却风扇和第二冷却风扇高速转动，以使树脂熔体冷却成型，形成具有异形截面的连续纤维束，即用于3D打印的异型连续纤维预浸料；

其中，连续纤维束在熔融浸渍池中的浸渍的时间为t＝L/v；L为浸渍在树脂熔体中的连续纤维束的长度，单位为mm；v的单位为mm/s，数值和第一卷轮和第二卷轮的转速相同。

最终制得的用于3D打印的异型连续纤维预浸料由连续纤维束和树脂组成。

以上述用于3D打印的异型连续纤维预浸料和聚醚醚酮线材(厂商为Victrex，牌号为Victrex-450G)为原料，进行3D打印制备复合材料，具体打印过程为：热塑性线材(聚醚醚酮线材)与异型连续纤维预浸料同时进入具有双进料口的加热喷头，并在挤出前从喷头内结合，实现原位浸渍，在驱动齿轮的推动下，熔融的热塑性树脂从喷嘴中挤出，并连带异型连续纤维预浸料一起沉积在加热底板上，随后逐层沉积，制备出3D打印复合材料，在此过程中设置3D打印温度为420℃，层厚为0.2mm，走线距离为0.5mm，打印速度为2mm/s后，进行3D打印，制得复合材料。

最终制得的复合材料的层间剪切强度为38.93MPa，弯曲强度为602.15MPa，拉伸强度为680.32MPa。

实施例3

一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，包括纤维卷筒、熔融浸渍池、冷却器和牵引机；

熔融浸渍池的外部设有与熔融浸渍池入口连接的供连续纤维束穿过的纤维束限位孔，内部设有加热器、连续纤维束张紧机构以及与熔融浸渍池出口连接的异形口模，顶部设有热塑性树脂加料机；异形口模为横截面呈正星形的口模，正星形为n边形，边长为l，连续纤维束的直径为d，l>π×d/n；n为12，l为0.6mm，d为0.6mm；

连续纤维束张紧机构由沿纤维运行方向顺序排列的第一浸渍辊、第二浸渍辊和第三浸渍辊组成，第二浸渍辊位于第一浸渍辊与第三浸渍辊之间，且位于二者的下方；第一浸渍辊与第二浸渍辊的水平距离为60mm，竖直距离为80mm；第二浸渍辊与第三浸渍辊的水平距离为60mm，竖直距离为80mm；纤维束限位孔与第一浸渍辊的水平距离为80mm，竖直距离为60mm；异形口模与第三浸渍辊的水平距离为45mm，竖直距离为5mm；

沿纤维运行方向，冷却器位于熔融浸渍池出口前方，冷却器内设有第一冷却风扇和第二冷却风扇；熔融浸渍池出口与冷却器的水平距离为1cm；

沿纤维运行方向，牵引机位于冷却器前方，牵引机内设有第一卷轮和第二卷轮；冷却器与牵引机的水平距离为5cm；第一卷轮和第二卷轮的转速为2mm/s。

采用上述装置的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，具体步骤如下：

(1)原料的准备；

树脂：在温度为350℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数为4.7g/10min的聚醚酮酮；

连续纤维束：单丝数量为1000的碳纤维束，碳纤维束的直径(即d)为0.6mm；

(2)将连续纤维束利用穿针从纤维卷筒拉出依次穿过纤维束限位孔，然后进入熔融浸渍池入口；

(3)将连续纤维束依次穿过熔融浸渍池内的第一浸渍辊、第二浸渍辊、第三浸渍辊，使连续纤维束在熔融浸渍池中形成“V”型状，然后再依次经过异形口模、熔融浸渍池出口、冷却器固定于牵引机中的第一卷轮和第二卷轮之间，以形成17N的张力；

(4)打开熔融浸渍池的加热器，调节到可熔融树脂的温度(即树脂熔体的温度)后，将树脂加入到热塑性树脂加料机的加料口中，待树脂的加料量接近熔融浸渍池的容量限时，开启牵引机；其中，树脂熔体的温度为350℃；

(5)待从熔融浸渍池中引出的连续纤维束表面出现树脂熔体时，打开冷却器，使得第一冷却风扇和第二冷却风扇高速转动，以使树脂熔体冷却成型，形成具有异形截面的连续纤维束，即用于3D打印的异型连续纤维预浸料；

其中，连续纤维束在熔融浸渍池中的浸渍的时间为t＝L/v；L为浸渍在树脂熔体中的连续纤维束的长度，单位为mm；v的单位为mm/s，数值和第一卷轮和第二卷轮的转速相同。

最终制得的用于3D打印的异型连续纤维预浸料由连续纤维束和树脂组成。

以上述用于3D打印的异型连续纤维预浸料和聚醚酮酮线材(厂商为Arkema，牌号为Kepstan-7002)为原料，进行3D打印制备复合材料，具体打印过程为：热塑性线材(聚醚酮酮线材)与异型连续纤维预浸料同时进入具有双进料口的加热喷头，并在挤出前从喷头内结合，实现原位浸渍，在驱动齿轮的推动下，熔融的热塑性树脂从喷嘴中挤出，并连带异型连续纤维预浸料一起沉积在加热底板上，随后逐层沉积，制备出3D打印复合材料，在此过程中设置3D打印温度为375℃，层厚为0.2mm，走线距离为0.5mm，打印速度为2mm/s后，进行3D打印，制得复合材料。

最终制得的复合材料的层间剪切强度为37.63MPa，弯曲强度为632.51MPa，拉伸强度为675.85MPa。

实施例4

一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，包括纤维卷筒、熔融浸渍池、冷却器和牵引机；

熔融浸渍池的外部设有与熔融浸渍池入口连接的供连续纤维束穿过的纤维束限位孔，内部设有加热器、连续纤维束张紧机构以及与熔融浸渍池出口连接的异形口模，顶部设有热塑性树脂加料机；异形口模为横截面呈正星形的口模，正星形为n边形，边长为l，连续纤维束的直径为d，l>π×d/n；n为8，l为0.25mm，d为0.6mm；

连续纤维束张紧机构由沿纤维运行方向顺序排列的第一浸渍辊、第二浸渍辊和第三浸渍辊组成，第二浸渍辊位于第一浸渍辊与第三浸渍辊之间，且位于二者的下方；第一浸渍辊与第二浸渍辊的水平距离为60mm，竖直距离为80mm；第二浸渍辊与第三浸渍辊的水平距离为60mm，竖直距离为80mm；纤维束限位孔与第一浸渍辊的水平距离为80mm，竖直距离为60mm；异形口模与第三浸渍辊的水平距离为45mm，竖直距离为5mm；

沿纤维运行方向，冷却器位于熔融浸渍池出口前方，冷却器内设有第一冷却风扇和第二冷却风扇；熔融浸渍池出口与冷却器的水平距离为1cm；

沿纤维运行方向，牵引机位于冷却器前方，牵引机内设有第一卷轮和第二卷轮；冷却器与牵引机的水平距离为5cm；第一卷轮和第二卷轮的转速为2mm/s。

采用上述装置的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，具体步骤如下：

(1)原料的准备；

树脂：在温度为320℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数5.8g/10min的聚醚酰亚胺；

连续纤维束：单丝数量为1000的碳纤维束，碳纤维束的直径(即d)为0.6mm；

(2)将连续纤维束利用穿针从纤维卷筒拉出依次穿过纤维束限位孔，然后进入熔融浸渍池入口；

(3)将连续纤维束依次穿过熔融浸渍池内的第一浸渍辊、第二浸渍辊、第三浸渍辊，使连续纤维束在熔融浸渍池中形成“V”型状，然后再依次经过异形口模、熔融浸渍池出口、冷却器固定于牵引机中的第一卷轮和第二卷轮之间，以形成15N的张力；

(4)打开熔融浸渍池的加热器，调节到可熔融树脂的温度(即树脂熔体的温度)后，将树脂加入到热塑性树脂加料机的加料口中，待树脂的加料量接近熔融浸渍池的容量限时，开启牵引机；其中，树脂熔体的温度为320℃；

(5)待从熔融浸渍池中引出的连续纤维束表面出现树脂熔体时，打开冷却器，使得第一冷却风扇和第二冷却风扇高速转动，以使树脂熔体冷却成型，形成具有异形截面的连续纤维束，即用于3D打印的异型连续纤维预浸料；

其中，连续纤维束在熔融浸渍池中的浸渍的时间为t＝L/v；L为浸渍在树脂熔体中的连续纤维束的长度，单位为mm；v的单位为mm/s，数值和第一卷轮和第二卷轮的转速相同。

最终制得的用于3D打印的异型连续纤维预浸料由连续纤维束和树脂组成。

以上述用于3D打印的异型连续纤维预浸料和聚醚酰亚胺线材(厂商为SABIC，牌号为Ultem-1000)为原料，进行3D打印制备复合材料，具体打印过程为：热塑性线材(聚醚酰亚胺线材)与异型连续纤维预浸料同时进入具有双进料口的加热喷头，并在挤出前从喷头内结合，实现原位浸渍，在驱动齿轮的推动下，熔融的热塑性树脂从喷嘴中挤出，并连带异型连续纤维预浸料一起沉积在加热底板上，随后逐层沉积，制备出3D打印复合材料，在此过程中设置3D打印温度为350℃，层厚为0.2mm，走线距离为0.5mm，打印速度为2mm/s后，进行3D打印，制得复合材料。

最终制得的复合材料的层间剪切强度为33.56MPa，弯曲强度为565.68MPa，拉伸强度为598.32MPa。

实施例5

一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，包括纤维卷筒、熔融浸渍池、冷却器和牵引机；

熔融浸渍池的外部设有与熔融浸渍池入口连接的供连续纤维束穿过的纤维束限位孔，内部设有加热器、连续纤维束张紧机构以及与熔融浸渍池出口连接的异形口模，顶部设有热塑性树脂加料机；异形口模为横截面呈正星形的口模，正星形为n边形，边长为l，连续纤维束的直径为d，l>π×d/n；n为8，l为0.4mm，d为0.6mm；

连续纤维束张紧机构由沿纤维运行方向顺序排列的第一浸渍辊、第二浸渍辊和第三浸渍辊组成，第二浸渍辊位于第一浸渍辊与第三浸渍辊之间，且位于二者的下方；第一浸渍辊与第二浸渍辊的水平距离为55mm，竖直距离为80mm；第二浸渍辊与第三浸渍辊的水平距离为60mm，竖直距离为80mm；纤维束限位孔与第一浸渍辊的水平距离为75mm，竖直距离为60mm；异形口模与第三浸渍辊的水平距离为45mm，竖直距离为5mm；

沿纤维运行方向，冷却器位于熔融浸渍池出口前方，冷却器内设有第一冷却风扇和第二冷却风扇；熔融浸渍池出口与冷却器的水平距离为1cm；

沿纤维运行方向，牵引机位于冷却器前方，牵引机内设有第一卷轮和第二卷轮；冷却器与牵引机的水平距离为5cm；第一卷轮和第二卷轮的转速为2mm/s。

采用上述装置的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，具体步骤如下：

(1)原料的准备；

树脂：在温度为240℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数为7.1g/10min的聚偏氟乙烯；

连续纤维束：单丝数量为1000的碳纤维束，碳纤维束的直径(即d)为0.6mm；

(2)将连续纤维束利用穿针从纤维卷筒拉出依次穿过纤维束限位孔，然后进入熔融浸渍池入口；

(3)将连续纤维束依次穿过熔融浸渍池内的第一浸渍辊、第二浸渍辊、第三浸渍辊，使连续纤维束在熔融浸渍池中形成“V”型状，然后再依次经过异形口模、熔融浸渍池出口、冷却器固定于牵引机中的第一卷轮和第二卷轮之间，以形成14N的张力；

(4)打开熔融浸渍池的加热器，调节到可熔融树脂的温度(即树脂熔体的温度)后，将树脂加入到热塑性树脂加料机的加料口中，待树脂的加料量接近熔融浸渍池的容量限时，开启牵引机；其中，树脂熔体的温度为240℃；

(5)待从熔融浸渍池中引出的连续纤维束表面出现树脂熔体时，打开冷却器，使得第一冷却风扇和第二冷却风扇高速转动，以使树脂熔体冷却成型，形成具有异形截面的连续纤维束，即用于3D打印的异型连续纤维预浸料；

其中，连续纤维束在熔融浸渍池中的浸渍的时间为t＝L/v；L为浸渍在树脂熔体中的连续纤维束的长度，单位为mm；v的单位为mm/s，数值和第一卷轮和第二卷轮的转速相同。

最终制得的用于3D打印的异型连续纤维预浸料由连续纤维束和树脂组成。

以上述用于3D打印的异型连续纤维预浸料和聚偏氟乙烯线材(厂商为3DXTECH，牌号为FluorX^TM PVDF)为原料，进行3D打印制备复合材料，具体打印过程为：热塑性线材(聚偏氟乙烯线材)与异型连续纤维预浸料同时进入具有双进料口的加热喷头，并在挤出前从喷头内结合，实现原位浸渍，在驱动齿轮的推动下，熔融的热塑性树脂从喷嘴中挤出，并连带异型连续纤维预浸料一起沉积在加热底板上，随后逐层沉积，制备出3D打印复合材料，在此过程中设置3D打印温度为275℃，层厚为0.2mm，走线距离为0.5mm，打印速度为2mm/s后，进行3D打印，制得复合材料。

最终制得的复合材料的层间剪切强度为31.24MPa，弯曲强度为415.85MPa，拉伸强度为398.32MPa。

实施例6

一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，包括纤维卷筒、熔融浸渍池、冷却器和牵引机；

熔融浸渍池的外部设有与熔融浸渍池入口连接的供连续纤维束穿过的纤维束限位孔，内部设有加热器、连续纤维束张紧机构以及与熔融浸渍池出口连接的异形口模，顶部设有热塑性树脂加料机；异形口模为横截面呈正星形的口模，正星形为n边形，边长为l，连续纤维束的直径为d，l>π×d/n；n为12，l为0.6mm，d为0.6mm；

连续纤维束张紧机构由沿纤维运行方向顺序排列的第一浸渍辊、第二浸渍辊和第三浸渍辊组成，第二浸渍辊位于第一浸渍辊与第三浸渍辊之间，且位于二者的下方；第一浸渍辊与第二浸渍辊的水平距离为60mm，竖直距离为80mm；第二浸渍辊与第三浸渍辊的水平距离为60mm，竖直距离为80mm；纤维束限位孔与第一浸渍辊的水平距离为80mm，竖直距离为60mm；异形口模与第三浸渍辊的水平距离为50mm，竖直距离为5mm；

沿纤维运行方向，冷却器位于熔融浸渍池出口前方，冷却器内设有第一冷却风扇和第二冷却风扇；熔融浸渍池出口与冷却器的水平距离为3cm；

沿纤维运行方向，牵引机位于冷却器前方，牵引机内设有第一卷轮和第二卷轮；冷却器与牵引机的水平距离为10cm；第一卷轮和第二卷轮的转速为8mm/s。

采用上述装置的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，具体步骤如下：

(1)原料的准备；

树脂：在温度为200℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数为10.3g/10min；

连续纤维束：单丝数量为1000的碳纤维束，碳纤维束的直径(即d)为0.6mm；

(2)将连续纤维束利用穿针从纤维卷筒拉出依次穿过纤维束限位孔，然后进入熔融浸渍池入口；

(3)将连续纤维束依次穿过熔融浸渍池内的第一浸渍辊、第二浸渍辊、第三浸渍辊，使连续纤维束在熔融浸渍池中形成“V”型状，然后再依次经过异形口模、熔融浸渍池出口、冷却器固定于牵引机中的第一卷轮和第二卷轮之间，以形成14N的张力；

(4)打开熔融浸渍池的加热器，调节到可熔融树脂的温度(即树脂熔体的温度)后，将树脂加入到热塑性树脂加料机的加料口中，待树脂的加料量接近熔融浸渍池的容量限时，开启牵引机；其中，树脂熔体的温度为200℃；

(5)待从熔融浸渍池中引出的连续纤维束表面出现树脂熔体时，打开冷却器，使得第一冷却风扇和第二冷却风扇高速转动，以使树脂熔体冷却成型，形成具有异形截面的连续纤维束，即用于3D打印的异型连续纤维预浸料；

其中，连续纤维束在熔融浸渍池中的浸渍的时间为t＝L/v；L为浸渍在树脂熔体中的连续纤维束的长度，单位为mm；v的单位为mm/s，数值和第一卷轮和第二卷轮的转速相同。

最终制得的用于3D打印的异型连续纤维预浸料由连续纤维束和树脂组成。

以上述用于3D打印的异型连续纤维预浸料和聚乳酸线材(厂商为3DXTECH，牌号为

PLA)为原料，进行3D打印制备复合材料，具体打印过程为：热塑性线材(聚乳酸线材)与异型连续纤维预浸料同时进入具有双进料口的加热喷头，并在挤出前从喷头内结合，实现原位浸渍，在驱动齿轮的推动下，熔融的热塑性树脂从喷嘴中挤出，并连带异型连续纤维预浸料一起沉积在加热底板上，随后逐层沉积，制备出3D打印复合材料，在此过程中设置3D打印温度为230℃，层厚为0.2mm，走线距离为0.5mm，打印速度为2mm/s后，进行3D打印，制得复合材料。

最终制得的复合材料的层间剪切强度为28.73MPa，弯曲强度为468.57MPa，拉伸强度为556.79MPa。

实施例7

一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，包括纤维卷筒、熔融浸渍池、冷却器和牵引机；

熔融浸渍池的外部设有与熔融浸渍池入口连接的供连续纤维束穿过的纤维束限位孔，内部设有加热器、连续纤维束张紧机构以及与熔融浸渍池出口连接的异形口模，顶部设有热塑性树脂加料机；异形口模为横截面呈正星形的口模，正星形为n边形，边长为l，连续纤维束的直径为d，l>π×d/n；n为8，l为0.25mm，d为0.6mm；

连续纤维束张紧机构由沿纤维运行方向顺序排列的第一浸渍辊、第二浸渍辊和第三浸渍辊组成，第二浸渍辊位于第一浸渍辊与第三浸渍辊之间，且位于二者的下方；第一浸渍辊与第二浸渍辊的水平距离为60mm，竖直距离为80mm；第二浸渍辊与第三浸渍辊的水平距离为60mm，竖直距离为80mm；纤维束限位孔与第一浸渍辊的水平距离为80mm，竖直距离为60mm；异形口模与第三浸渍辊的水平距离为50mm，竖直距离为5mm；

沿纤维运行方向，冷却器位于熔融浸渍池出口前方，冷却器内设有第一冷却风扇和第二冷却风扇；熔融浸渍池出口与冷却器的水平距离为3cm；

沿纤维运行方向，牵引机位于冷却器前方，牵引机内设有第一卷轮和第二卷轮；冷却器与牵引机的水平距离为10cm；第一卷轮和第二卷轮的转速为8mm/s。

采用上述装置的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，具体步骤如下：

(1)原料的准备；

树脂：在温度为200℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数为12.4g/10min的聚酰胺66；

连续纤维束：单丝数量为1000的碳纤维束，碳纤维束的直径(即d)为0.6mm；

(2)将连续纤维束利用穿针从纤维卷筒拉出依次穿过纤维束限位孔，然后进入熔融浸渍池入口；

(3)将连续纤维束依次穿过熔融浸渍池内的第一浸渍辊、第二浸渍辊、第三浸渍辊，使连续纤维束在熔融浸渍池中形成“V”型状，然后再依次经过异形口模、熔融浸渍池出口、冷却器固定于牵引机中的第一卷轮和第二卷轮之间，以形成11N的张力；

(4)打开熔融浸渍池的加热器，调节到可熔融树脂的温度(即树脂熔体的温度)后，将树脂加入到热塑性树脂加料机的加料口中，待树脂的加料量接近熔融浸渍池的容量限时，开启牵引机；其中，树脂熔体的温度为200℃；

(5)待从熔融浸渍池中引出的连续纤维束表面出现树脂熔体时，打开冷却器，使得第一冷却风扇和第二冷却风扇高速转动，以使树脂熔体冷却成型，形成具有异形截面的连续纤维束，即用于3D打印的异型连续纤维预浸料；

其中，连续纤维束在熔融浸渍池中的浸渍的时间为t＝L/v；L为浸渍在树脂熔体中的连续纤维束的长度，单位为mm；v的单位为mm/s，数值和第一卷轮和第二卷轮的转速相同。

最终制得的用于3D打印的异型连续纤维预浸料由连续纤维束和树脂组成。

以上述用于3D打印的异型连续纤维预浸料和聚酰胺66线材(厂商为3DXTECH，牌号为AmideX^TM Nylon66)为原料，进行3D打印制备复合材料，具体打印过程为：热塑性线材(聚酰胺66线材)与异型连续纤维预浸料同时进入具有双进料口的加热喷头，并在挤出前从喷头内结合，实现原位浸渍，在驱动齿轮的推动下，熔融的热塑性树脂从喷嘴中挤出，并连带异型连续纤维预浸料一起沉积在加热底板上，随后逐层沉积，制备出3D打印复合材料，在此过程中设置3D打印温度为220℃，层厚为0.2mm，走线距离为0.5mm，打印速度为2mm/s后，进行3D打印，制得复合材料。

最终制得的复合材料的层间剪切强度为33.28MPa，弯曲强度为536.89MPa，拉伸强度为605.66MPa。

实施例8

一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，包括纤维卷筒、熔融浸渍池、冷却器和牵引机；

熔融浸渍池的外部设有与熔融浸渍池入口连接的供连续纤维束穿过的纤维束限位孔，内部设有加热器、连续纤维束张紧机构以及与熔融浸渍池出口连接的异形口模，顶部设有热塑性树脂加料机；异形口模为横截面呈正星形的口模，正星形为n边形，边长为l，连续纤维束的直径为d，l>π×d/n；n为8，l为0.4mm，d为0.6mm；

连续纤维束张紧机构由沿纤维运行方向顺序排列的第一浸渍辊、第二浸渍辊和第三浸渍辊组成，第二浸渍辊位于第一浸渍辊与第三浸渍辊之间，且位于二者的下方；第一浸渍辊与第二浸渍辊的水平距离为65mm，竖直距离为75mm；第二浸渍辊与第三浸渍辊的水平距离为65mm，竖直距离为75mm；纤维束限位孔与第一浸渍辊的水平距离为85mm，竖直距离为65mm；异形口模与第三浸渍辊的水平距离为55mm，竖直距离为5mm；

沿纤维运行方向，冷却器位于熔融浸渍池出口前方，冷却器内设有第一冷却风扇和第二冷却风扇；熔融浸渍池出口与冷却器的水平距离为2cm；

沿纤维运行方向，牵引机位于冷却器前方，牵引机内设有第一卷轮和第二卷轮；冷却器与牵引机的水平距离为9.5cm；第一卷轮和第二卷轮的转速为7mm/s。

采用上述装置的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，具体步骤如下：

(1)原料的准备；

树脂：在温度为190℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数为13.5g/10min的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯；

连续纤维束：单丝数量为1000的碳纤维束，碳纤维束的直径(即d)为0.6mm；

(2)将连续纤维束利用穿针从纤维卷筒拉出依次穿过纤维束限位孔，然后进入熔融浸渍池入口；

(3)将连续纤维束依次穿过熔融浸渍池内的第一浸渍辊、第二浸渍辊、第三浸渍辊，使连续纤维束在熔融浸渍池中形成“V”型状，然后再依次经过异形口模、熔融浸渍池出口、冷却器固定于牵引机中的第一卷轮和第二卷轮之间，以形成7N的张力；

(4)打开熔融浸渍池的加热器，调节到可熔融树脂的温度(即树脂熔体的温度)后，将树脂加入到热塑性树脂加料机的加料口中，待树脂的加料量接近熔融浸渍池的容量限时，开启牵引机；其中，树脂熔体的温度为190℃；

(5)待从熔融浸渍池中引出的连续纤维束表面出现树脂熔体时，打开冷却器，使得第一冷却风扇和第二冷却风扇高速转动，以使树脂熔体冷却成型，形成具有异形截面的连续纤维束，即用于3D打印的异型连续纤维预浸料；

其中，连续纤维束在熔融浸渍池中的浸渍的时间为t＝L/v；L为浸渍在树脂熔体中的连续纤维束的长度，单位为mm；v的单位为mm/s，数值和第一卷轮和第二卷轮的转速相同。

最终制得的用于3D打印的异型连续纤维预浸料由连续纤维束和树脂组成。

以上述用于3D打印的异型连续纤维预浸料和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯线材(厂商为3DXTECH，牌号为

ABS)为原料，进行3D打印制备复合材料，具体打印过程为：热塑性线材(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯线材)与异型连续纤维预浸料同时进入具有双进料口的加热喷头，并在挤出前从喷头内结合，实现原位浸渍，在驱动齿轮的推动下，熔融的热塑性树脂从喷嘴中挤出，并连带异型连续纤维预浸料一起沉积在加热底板上，随后逐层沉积，制备出3D打印复合材料，在此过程中设置3D打印温度为210℃，层厚为0.2mm，走线距离为0.5mm，打印速度为2mm/s后，进行3D打印，制得复合材料。

最终制得的复合材料的层间剪切强度为25.68MPa，弯曲强度为445.12MPa，拉伸强度为505.29MPa。

实施例9

一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，包括纤维卷筒、熔融浸渍池、冷却器和牵引机；

熔融浸渍池的外部设有与熔融浸渍池入口连接的供连续纤维束穿过的纤维束限位孔，内部设有加热器、连续纤维束张紧机构以及与熔融浸渍池出口连接的异形口模，顶部设有热塑性树脂加料机；异形口模为横截面呈正星形的口模，正星形为n边形，边长为l，连续纤维束的直径为d，l>π×d/n；n为12，l为0.8mm，d为0.6mm；

连续纤维束张紧机构由沿纤维运行方向顺序排列的第一浸渍辊、第二浸渍辊和第三浸渍辊组成，第二浸渍辊位于第一浸渍辊与第三浸渍辊之间，且位于二者的下方；第一浸渍辊与第二浸渍辊的水平距离为60mm，竖直距离为80mm；第二浸渍辊与第三浸渍辊的水平距离为60mm，竖直距离为80mm；纤维束限位孔与第一浸渍辊的水平距离为80mm，竖直距离为60mm；异形口模与第三浸渍辊的水平距离为50mm，竖直距离为5mm；

沿纤维运行方向，冷却器位于熔融浸渍池出口前方，冷却器内设有第一冷却风扇和第二冷却风扇；熔融浸渍池出口与冷却器的水平距离为3cm；

沿纤维运行方向，牵引机位于冷却器前方，牵引机内设有第一卷轮和第二卷轮；冷却器与牵引机的水平距离为10cm；第一卷轮和第二卷轮的转速为9mm/s。

采用上述装置的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，具体步骤如下：

(1)原料的准备；

树脂：在温度为180℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数为10.3g/10min的聚丙烯；

连续纤维束：单丝数量为1000的碳纤维束，碳纤维束的直径(即d)为0.6mm；

(2)将连续纤维束利用穿针从纤维卷筒拉出依次穿过纤维束限位孔，然后进入熔融浸渍池入口；

(3)将连续纤维束依次穿过熔融浸渍池内的第一浸渍辊、第二浸渍辊、第三浸渍辊，使连续纤维束在熔融浸渍池中形成“V”型状，然后再依次经过异形口模、熔融浸渍池出口、冷却器固定于牵引机中的第一卷轮和第二卷轮之间，以形成8N的张力；

(4)打开熔融浸渍池的加热器，调节到可熔融树脂的温度(即树脂熔体的温度)后，将树脂加入到热塑性树脂加料机的加料口中，待树脂的加料量接近熔融浸渍池的容量限时，开启牵引机；其中，树脂熔体的温度为180℃；

(5)待从熔融浸渍池中引出的连续纤维束表面出现树脂熔体时，打开冷却器，使得第一冷却风扇和第二冷却风扇高速转动，以使树脂熔体冷却成型，形成具有异形截面的连续纤维束，即用于3D打印的异型连续纤维预浸料；

其中，连续纤维束在熔融浸渍池中的浸渍的时间为t＝L/v；L为浸渍在树脂熔体中的连续纤维束的长度，单位为mm；v的单位为mm/s，数值和第一卷轮和第二卷轮的转速相同。

最终制得的用于3D打印的异型连续纤维预浸料由连续纤维束和树脂组成。

以上述用于3D打印的异型连续纤维预浸料和聚丙烯线材(厂商为3DXTECH，牌号为HyperLite^TM PP)为原料，进行3D打印制备复合材料，具体打印过程为：热塑性线材(聚丙烯线材)与异型连续纤维预浸料同时进入具有双进料口的加热喷头，并在挤出前从喷头内结合，实现原位浸渍，在驱动齿轮的推动下，熔融的热塑性树脂从喷嘴中挤出，并连带异型连续纤维预浸料一起沉积在加热底板上，随后逐层沉积，制备出3D打印复合材料，在此过程中设置3D打印温度为200℃，层厚为0.2mm，走线距离为0.5mm，打印速度为2mm/s后，进行3D打印，制得复合材料。

最终制得的复合材料的层间剪切强度为25.39MPa，弯曲强度为455.45MPa，拉伸强度为549.61MPa。

Claims (10)

1.一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，其特征在于，将连续纤维束在树脂熔体中浸渍后从异形口模中穿出后冷却制得用于3D打印的异型连续纤维预浸料；

异形口模为横截面呈正星形的口模，正星形为n边形，边长为l，连续纤维束的直径为d，l>π×d/n。

2.根据权利要求1所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，其特征在于，所述树脂为在温度为350℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数≤5g/10min的聚醚醚酮或聚醚酮酮，或者为在温度为320℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数>5g/10min且≤10g/10min的聚醚酰亚胺，或者为在温度为240℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数>5g/10min且≤10g/10min的聚偏氟乙烯，或者为在温度为180℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数>10g/10min的聚乳酸，或者为在温度为200℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数>10g/10min的聚酰胺，或者为在温度为190℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数>10g/10min的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，或者为在温度为180℃且负荷为2.16kg条件下熔融指数>10g/10min的聚丙烯。

3.根据权利要求2所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，其特征在于，当树脂为聚醚醚酮、聚醚酮酮或聚醚酰亚胺时，所述树脂熔体的温度为320～350℃；当树脂为聚酰胺或聚偏氟乙烯时，所述树脂熔体的温度为200～250℃；当树脂为聚乳酸、聚丙烯或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯时，所述树脂熔体的温度为180～200℃。

4.根据权利要求2所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，其特征在于，当树脂为聚醚醚酮、聚醚酮酮或聚醚酰亚胺时，所述浸渍时连续纤维束的张力为15～20N；当树脂为聚乳酸、聚酰胺或聚偏氟乙烯时，所述浸渍时连续纤维束的张力为10～15N；当树脂为聚丙烯或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯时，所述浸渍时连续纤维束的张力为5～10N。

5.根据权利要求2所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，其特征在于，所述浸渍的时间t＝L/v；L为浸渍在树脂熔体中的连续纤维束的长度，单位为mm；v的单位为mm/s；当树脂为聚醚醚酮或聚醚酮酮时，v为2mm/s；当树脂为聚醚酰亚胺或聚偏氟乙烯时，v为2～6mm/s；当树脂为聚乳酸、聚酰胺、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯或聚丙烯时，v为6～10mm/s。

6.根据权利要求1所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产方法，其特征在于，连续纤维束为单丝数量为1000的碳纤维束。

7.一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，其特征在于，包括熔融浸渍池，熔融浸渍池的外部设有与熔融浸渍池入口(4-1)连接的供连续纤维束穿过的纤维束限位孔(3)，内部设有加热器以及与熔融浸渍池出口(4-6)连接的异形口模(4-5)，顶部设有热塑性树脂加料机(5)；异形口模(4-5)为横截面呈正星形的口模，正星形为n边形，边长为l，连续纤维束的直径为d，l>π×d/n。

8.根据权利要求7所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，其特征在于，熔融浸渍池的内部还有连续纤维束张紧机构。

9.根据权利要求8所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，其特征在于，连续纤维束张紧机构由沿纤维运行方向顺序排列的第一浸渍辊(4-2)、第二浸渍辊(4-3)和第三浸渍辊(4-4)组成，第二浸渍辊(4-3)位于第一浸渍辊(4-2)与第三浸渍辊(4-4)之间，且位于二者的下方；第一浸渍辊(4-2)与第二浸渍辊(4-3)的水平距离为60±5mm，竖直距离为80±5mm；第二浸渍辊(4-3)与第三浸渍辊(4-4)的水平距离为60±5mm，竖直距离为80±5mm；纤维束限位孔(3)与第一浸渍辊(4-2)的水平距离为80±5mm，竖直距离为60±5mm；异形口模(4-5)与第三浸渍辊(4-4)的水平距离为50±5mm，竖直距离为5±1mm。

10.根据权利要求7所述的一种用于3D打印的异型连续纤维预浸料的生产装置，其特征在于，还包括沿纤维运行方向位于熔融浸渍池出口(4-6)前方的冷却器(6)，冷却器(6)内设有第一冷却风扇(6-1)和第二冷却风扇(6-2)；熔融浸渍池出口(4-6)与冷却器(6)的水平距离为1～3cm。

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