CN117140960A - 一种增强3d打印材料的层间力学性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于3D打印材料力学领域，具体涉及一种增强3D打印材料的层间力学性能的方法。包括如下步骤：在进行3D打印时，给基体设置贯通底面和顶面的纵向通孔；在所述纵向通孔内布设连续纤维并注入粘结剂；粘结剂凝固将连续纤维固化在纵向通孔内。进一步，所述纵向通孔的直径为连续纤维直径的1.2‑1.5倍。进一步，所述粘结剂为环氧树脂。进一步，所述连续纤维为碳纤维制品。进一步，所述碳纤维制品为8‑10股1k的碳纤维丝束。进一步，所述连续纤维为纺织尼龙纤维制品。本发明通过物理方法，不需要对打印原材料进行改进即可实现层间力学性能的改善，具有容易实施、成本低、增强效果好的技术进步。
Description
技术领域
本发明属于3D打印材料力学领域，具体涉及一种增强3D打印材料的层间力学性能的方法。
背景技术
3D打印主要采用“逐层累积低维材料，最终形成三维零件”的制造方式，该方式制作的3D打印零件在机械性能，特别是层间的力学性能还存在一些问题，主要表现为在叠层方向（Z方向）上，零件受拉易断裂和力学性能不稳定等现象。为了增强层间力学性能，现有技术主要是采取对打印原材料上进行改进的方式，现有技术存在实施条件有限制（例如高温）、材料改性成本高等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种容易实施、成本较低、效果好的增强3D打印材料的层间力学性能的方法。
实现上述目的的技术方案包括如下内容。
一种增强3D打印材料的层间力学性能的方法，包括如下步骤：
在进行3D打印时，给基体设置贯通底面和顶面的纵向通孔；
在所述纵向通孔内布设连续纤维并注入粘结剂；
粘结剂凝固将连续纤维固化在纵向通孔内。
进一步，所述纵向通孔的直径为连续纤维直径的1.2-1.5倍。
进一步，所述粘结剂为环氧树脂。
进一步，所述连续纤维为碳纤维制品。
进一步，所述碳纤维制品为8-10股1k的碳纤维丝束。
进一步，所述连续纤维为纺织尼龙纤维制品。
本发明方法实施时，连续纤维长度与3D打印的最终制品的尺寸高度相适配，与短纤维增强复合材料相比，当纤维的长度超过临界值时，在材料破坏过程中，纤维的断裂、脱粘、拔出等过程需要消耗更多的能量，从而增强了复合材料的力学性能，而且，由于纤维的端部是裂纹增长的引发点，当纤维含量相同时，长纤维的端部数量远小于短纤，因此长纤维增强复合材料的力学性能明显优于短纤维复合材料。当纤维长度增大到接近产品尺寸时，对复合材料力学性能的提升更加明显。因此，使用连续纤维增强3D打印基体材料的层间力学性能，有明显的优势。后续实施例可以证明这种效果。
本发明的增强3D打印材料的层间力学性能的方法通过物理方法，不需要对打印原材料进行改进即可实现层间力学性能的改善，具有容易实施、成本低、增强效果好的技术进步。
本案所述纵向通孔内布设粘附有粘结剂的连续纤维可以采用现有技术实现，例如用塑料细棒穿丝牵引方式或使用气流引导穿丝技术。
附图说明
图1为实施例1的3D打印零件基体的内部结构图；
图2为实施例4的3D打印零件基体的内部结构图；
图3为实施例5的3D打印零件基体的内部结构图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行具体的说明。
以下实施例中3D打印零件基体为熔融沉积成型方法打印的高70mm，长12mm，厚4mm的矩形块，打印填充率均为100%，零件基体的长度方向为3D打印时的层叠方向的尺寸。
实施例1
（1）进行3D打印时，给基体设置贯通底面和顶面的3个直径3mm的纵向通孔，参见图1；
（2）按3:1的质量比混合环氧树脂和固化剂；
（3）纤维制品导入工具使用一根直径2mm的弹性聚乳酸塑料细棒，由该细棒将一根细线穿过3D打印基体的细孔，将细棒抽出，再将直径2mm碳纤维编织绳与细线临时连接，由细线牵引纤维编织绳进入3D打印基体的通孔内，之后取下细线。完成所有孔的纤维制品导入后，用注射器注入混合后的环氧树脂；
（4）将完成纤维导入的零件基体静置24小时，等待环氧树脂完成固化。
实施例2
与实施例1不同之处在于将步骤（3）中的直径2mm碳纤维编织绳改为直径2mm聚乙烯纤维编织绳，其他步骤相同。
实施例3
与实施例1不同之处在于将步骤（3）中的直径2mm碳纤维编织绳改为直径2mm凯夫拉纤维编织绳，其他步骤相同。
实施例4
（1）进行3D打印时，给基体设置贯通底面和顶面的2个直径3mm的弯曲通孔，参见图2，该通孔的轴线由5条圆弧弧线拼接而成，通孔的弯曲最小半径介于6.5mm至10.5mm；
（2）-（4）与实施例1相同。
实施例5
（1）进行3D打印时，给基体设置贯通底面和顶面的设置1个截面为矩形的弯曲通孔，参见图3，该通孔的外形线由2条圆弧弧线拼接而成，半径分别为62.5mm和107.29mm，该通孔的截面长5mm，截面宽3mm，并且该通孔的截面倒圆角半径为0，8mm；
（2）与实施例1相同；
（3）纤维制品导入工具使用一根直径2mm的弹性聚乳酸塑料细棒，由该细棒将一根细线穿过3D打印基体的细孔，将细棒抽出，再将2股直径2m凯夫拉纤维编织绳与细线临时连接，由细线牵引纤维编织绳进入3D打印基体的通孔内，之后取下细线。完成所有孔的纤维制品导入后，用注射器注入混合后的环氧树脂；
（4）与实施例1相同。
实施例6
（1）与实施例1相同；
（2）按3:1的质量比混合环氧树脂和固化剂，将10股1K碳纤维丝束浸入完成混合后的环氧树脂；
（3）纤维制品导入工具使用一根直径2mm的弹性聚乳酸塑料细棒，由该细棒将一根细线穿过3D打印基体的细孔，将细棒抽出，再浸过环氧树脂的10股1K碳纤维丝束与细线临时连接，由细线牵引碳纤维丝束进入3D打印基体的通孔内，之后取下细线。完成所有孔的纤维制品导入后，用注射器注入混合后的环氧树脂；
（4）与实施例1相同。
实施例7
（1）与实施例1相同；
（2）按3:1的质量比混合环氧树脂和固化剂，将8股1K碳纤维丝束浸入完成混合后的环氧树脂；
（3）纤维制品导入工具使用一根直径2mm的弹性聚乳酸塑料细棒，由该细棒将一根细线穿过3D打印基体的细孔，将细棒抽出，再将浸过环氧树脂的8股1K碳纤维丝束与细线临时连接，由细线牵引碳纤维丝束进入3D打印基体的通孔内，之后取下细线。完成所有孔的纤维制品导入后，用注射器注入混合后的环氧树脂；
（4）与实施例1相同。
将上述7个利用实施例方法处理后的3D打印零件基体在万能试验机上做常温拉伸试验，并对没有采用本案方法处理的同样尺寸的3D打印零件在万能试验机上做常温拉伸试验作为对比例进行对比，试验结果如下表所示。
。
从实验结果看，通过上述实施例方法处理的3D打印零件基体在断裂强度、弹性模量、延伸率等反映力学性能的参数明显优于对比例，尤其是实施例1中断裂强度超过对比例将近6倍，延伸率更是达到30倍，可见本发明的增强3D打印材料的层间力学性能的方法相对现有技术取得了显著的进步。
Claims (6)
1.一种增强3D打印材料的层间力学性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在进行3D打印时，给基体设置贯通底面和顶面的纵向通孔；
在所述纵向通孔内布设连续纤维并注入粘结剂；
粘结剂凝固将连续纤维固化在纵向通孔内。
2.根据权利要求1所述的增强3D打印材料的层间力学性能的方法，其特征在于，所述纵向通孔的直径为连续纤维直径的1.2-1.5倍。
3.根据权利要求1所述的增强3D打印材料的层间力学性能的方法，其特征在于，所述粘结剂为环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的增强3D打印材料的层间力学性能的方法，其特征在于，所述连续纤维为碳纤维制品。
5.根据权利要求4所述的增强3D打印材料的层间力学性能的方法，其特征在于，所述碳纤维制品为8-10股1k的碳纤维丝束。。
6.根据权利要求1所述的增强3D打印材料的层间力学性能的方法，其特征在于，所述连续纤维为纺织尼龙纤维制品。
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