CN117565395A - 一种连续纤维可再生复合材料一步成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续纤维可再生复合材料一步成型装置，包括：自由运动系统、塑化挤压单元和连续送丝单元，所述塑化挤压单元和自由运动系统连接，并且所述自由运动系统驱动塑化挤压单元在空间内实现运动，所述连续送丝单元用于向塑化挤压单元内送入植物纤维。本发明的连续纤维可再生复合材料一步成型装置，通过螺杆的塑化挤压将热塑性塑料熔融，利用滚轮装置将连续植物纤维输送至机头型腔内部，利用型腔内熔体的运动浸渍连续植物纤维，同时在压力作用下植物纤维和熔体不断从喷嘴挤出，植物纤维导向管的花瓣状结构设计，增加了连续植物纤维与塑料熔体的相互作用时间以及浸润面积，有利于提高二者之间的界面结合。

Description

一种连续纤维可再生复合材料一步成型装置及方法

技术领域

本发明涉及可降解复合材料成型技术领域，尤其是指一种连续纤维可再生复合材料一步成型装置及方法。

背景技术

连续植物纤维增强热塑性塑料成型复合材料由于植物纤维的连续性，具有优异的力学性能，在航空航天、汽车轨道等领域具有广泛地应用前景。模压成形、原位聚合热塑性树脂转移模塑成型工艺和自动铺放成形技术是目前连续植物纤维增强热塑性塑料成型复合材料的主要成形工艺。

模压成形是将热塑性塑料与连续植物纤维放入模腔，通过外部加压加热使热塑性塑料发生熔融，从而浸渍植物纤维，再通过冷却得到复合材料；但是该方法存在精度差、难以成形复杂零件等缺点。

原位聚合热塑性树脂转移模塑成型工艺利用聚合物单体、低聚物体系的低黏度，对植物纤维进行浸渍实现高性能材料的制备，但是该方法目前主要局限于浇注尼龙和换装低聚物的聚合物，对于高性能热塑性塑料难以应用；反应环境对水分、氧气非常敏感，对反应环境要求高；短成型周期内单体转化率低，会导致复合材料内存在较多的低聚物和单体含量，降低产品性能。

自动铺放技术利用热源对复合材料预浸料进行加热，实现塑料基体熔融，从而成形产品，但是该方法依赖于预浸料的制备，同时在成型过程中由于热源与复合材料的相互作用不均匀，导致存在烧焦、孔洞等缺陷，导致产品成形精度差等问题。其次，预浸料与铺放两步成形法涉及成形工艺参数多，成形工艺难以调控。

因此，迫切需求发展连续植物纤维增强热塑性塑料成型复合材料的高效成形方法。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中连续植物纤维增强热塑性塑料成型复合材料的成型技术均存在一定的缺陷，需要对成型技术进行改进的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种连续纤维可再生复合材料一步成型装置，包括：自由运动系统、塑化挤压单元和连续送丝单元，所述塑化挤压单元和自由运动系统连接，并且所述自由运动系统驱动塑化挤压单元在空间内实现运动，所述连续送丝单元用于向塑化挤压单元内送入植物纤维；所述塑化挤压单元包括电机、固定支撑架、螺旋输送装置、纤维导线管、加热块和加料口，所述电机和螺旋输送装置均设置在固定支撑架上，并且电机和螺旋输送装置连接，并且所述电机作为螺旋输送装置的驱动源，所述加热块和螺旋输送装置连接，所述加料口设置在螺旋输送装置上，并且所述加料口用于向螺旋输送装置内供料，所述纤维导线管设置在螺旋输送装置的机头和连续送丝单元之间，所述纤维导线管用于将连续送丝单元内的植物纤维导入螺旋输送装置的机头内，所述螺旋输送装置的机头内塑化熔融的塑料与纤维导线管导入的植物纤维均匀挤出。本发明的连续纤维可再生复合材料一步成型装置，通过螺杆的塑化挤压将热塑性塑料熔融，利用滚轮装置将连续植物纤维输送至机头型腔内部，利用型腔内熔体的运动浸渍连续植物纤维，同时在压力作用下植物纤维和熔体不断从喷嘴挤出。

在本发明的一个实施例中，所述纤维导线管包括环形导管和若干花瓣本体，所述若干花瓣本体的一端与环形导管连接，所述环形导管设置在螺旋输送装置上，所述若干花瓣本体位于螺旋输送装置的机头内，并且若干花瓣本体的另一端延伸出旋输送装置的机头，所述环形导管的中心为供植物纤维穿过的腔体一。

在本发明的一个实施例中，所述若干花瓣本体以环形导管的中心线为圆心按照环形阵列的方式设置，并且所述若干花瓣本体之间设有分隔间隙，所述若干花瓣本体之间的中心区域为供植物纤维穿过的腔体二。

在本发明的一个实施例中，所述螺旋输送装置包括机筒、螺旋杆和机头，所述螺旋杆设置在机筒内，并且所述螺旋杆与电机连接，所述机头设置在机筒的头部位置处，所述环形导管贯穿机头的侧壁。

在本发明的一个实施例中，所述机头的内部设有出料口，所述出料口呈锥形设置，所述若干花瓣本体远离环形导管的一端穿出出料口。

在本发明的一个实施例中，所述环形导管与贯穿机头所在径向截面之间的角度范围为：30～75度。

在本发明的一个实施例中，所述连续送丝单元包括座架、张紧弹簧、滚轮装置、伺服电机和螺栓，所述座架通过螺栓和螺旋输送装置连接，所述座架上设有纤维卷，所述滚轮装置和伺服电机均设置在座架上，所述纤维卷上的植物纤维经过滚轮装置的导向进入纤维导线管内，所述张紧弹簧与用于提供滚轮装置的张紧力。

在本发明的一个实施例中，所述座架上设有限位导向进入管，所述纤维卷上的植物纤维穿过限位导向进入管。

在本发明的一个实施例中，所述滚轮装置包括主导向轮和辅助导向轮，所述植物纤维穿过主导向轮和辅助导向轮，所述张紧弹簧与主导向轮连接用于保持主导向轮张紧植物纤维。

一种连续纤维可再生复合材料一步成型装置的方法，包括如下步骤：

S1、通过固定支撑将设备连接在自由运动系统上，自由运动系统提供产品的成型的运动轨迹；

S2、将植物纤维穿过连续送丝单元的主导向轮和辅助导向轮之间，并且植物纤维经过环形导管引入若干花瓣本体之间；

S3、通过加热块对螺旋输送装置进行加热，使螺旋输送装置达到工作温度；

S4、启动电机带动螺旋输送装置中的螺旋杆以一定的转速匀速转动；

S5、将热塑性塑料通过加料口加入螺旋输送装置中，完全塑化熔融的塑料在机头的型腔内流经若干花瓣本体之间的分隔间隙，实现对连续植物纤维的局部预浸润，最终植物纤维和塑化熔融的塑料二者经过机头实现连续均匀挤出；

S6、调整伺服电机的转速和张紧弹簧的压力，确保塑料熔体对连续植物纤维形成均匀、连续的包裹；

S7、连续挤出的连续植物纤维填充热塑性复合材料在工作台的成型区域上逐层沉积，形成目标样品。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的连续纤维可再生复合材料一步成型装置及方法，连续植物纤维增强热塑性塑料基体，改善短植物纤维分布不均匀导致的制品性能不稳定的问题，同时降低打印过程中喷嘴堵塞的机率，连续植物纤维在塑料基体内有序的排列、取向有利于进一步提高复合材料的性能；连续植物纤维与增材制造技术相结合，可以实现复合零部件的一次性成型，减少了传统复合材料制备预浸料和成型的两道工艺，节省成型时间，提高效率，降低成本；连续植物纤维在型腔内加热时间短，避免天然植物纤维(如，竹植物纤维)在成型过程中的分解，拓展了植物纤维种类，实现全可降解的连续植物纤维增强复合材料的成型；植物纤维导向管的花瓣状结构设计，增加了连续植物纤维与塑料熔体的相互作用时间以及浸润面积，有利于提高二者之间的界面结合。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明的连续纤维可再生复合材料一步成型装置的整体结构示意图；

图2是本发明的塑化挤压单元的结构示意图；

图3是本发明图2中A处的局部放大图；

图4是本发明的纤维导线管的结构示意图；

图5是本发明的纤维导线管的截面图；

图6是本发明的连续送丝单元的结构示意图；

图7是本发明的连续竹纤维增强聚乙烯制备得到的复合材料的实物图；

图8是本发明的一步成型纯聚乙烯材料和竹纤维增强聚乙烯复合材料的拉伸应力-应变对比曲线图。

说明书附图标记说明：自由运动系统1、塑化挤压单元2、电机21、固定支撑架22、螺旋输送装置23、机筒231、螺旋杆232、机头233、出料口2331、纤维导线管24、环形导管241、花瓣本体242、腔体一243、分隔间隙244、腔体二245、加热块25、加料口26、连续送丝单元3、座架31、限位导向进入管311、张紧弹簧32、滚轮装置33、主导向轮331、辅助导向轮332、伺服电机34、螺栓35。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的连续纤维可再生复合材料一步成型装置，包括：自由运动系统1、塑化挤压单元2和连续送丝单元3，所述塑化挤压单元2和自由运动系统1连接，并且所述自由运动系统1驱动塑化挤压单元2在空间内实现运动，所述连续送丝单元3用于向塑化挤压单元2内送入植物纤维；主要包括自由运动系统1、塑化挤压单元2和连续送丝单元3三个主要部分，其中热塑性材料经过塑化挤压单元2完成熔融后，携带连续植物纤维均匀稳定挤出，同时整机在自由运动系统1的夹持下完成连续运动，通过层层累积的方式完成样件成型。连续植物纤维包括竹纤维、亚麻纤维、苎麻纤维等。热塑性基体的形式可以为丝材、颗粒、粉末等，所述热塑性塑料基体可以为纯热塑性塑料或者热塑性塑料复合材料。所述热塑性塑料复合材料包括纳米增强热塑性复合材料、短植物纤维增强热塑性复合材料、长植物纤维增强热塑性复合材料及其复合。

参照图2所示，所述塑化挤压单元2包括电机21、固定支撑架22、螺旋输送装置23、纤维导线管24、加热块25和加料口26，所述电机21和螺旋输送装置23均设置在固定支撑架22上，并且电机21和螺旋输送装置23连接，并且所述电机21作为螺旋输送装置23的驱动源，所述加热块25和螺旋输送装置23连接，所述加料口26设置在螺旋输送装置23上，并且所述加料口26用于向螺旋输送装置23内供料，所述纤维导线管24设置在螺旋输送装置23的机头和连续送丝单元3之间，所述纤维导线管24用于将连续送丝单元3内的植物纤维导入螺旋输送装置23的机头内，所述螺旋输送装置23的机头内塑化熔融的塑料与纤维导线管24导入的植物纤维均匀挤出。塑化挤压单元2过程的主要实施装置由电机21、固定支撑架22、螺旋输送装置23、加热块25和加料口26组成；其中为了实现复杂形状的制造，整套装置通过固定支撑架22与机械手或者电机导轨运动装置连接，从而实现空间内的运动。加热块25加热温度范围为：100～450℃。电机21转速范围为1000rpm～3000rpm。

参照图4、5所示，所述纤维导线管24包括环形导管241和若干花瓣本体242，所述若干花瓣本体242的一端与环形导管241连接，所述环形导管241设置在螺旋输送装置23上，所述若干花瓣本体242位于螺旋输送装置23的机头内，并且若干花瓣本体242的另一端延伸出旋输送装置23的机头，所述环形导管241的中心为供植物纤维穿过的腔体一243。所述若干花瓣本体242以环形导管241的中心线为圆心按照环形阵列的方式设置，并且所述若干花瓣本体242之间设有分隔间隙244，所述若干花瓣本体242之间的中心区域为供植物纤维穿过的腔体二245。其中花瓣本体242具有锥形螺纹结构，花瓣本体242的螺纹的旋向与螺旋输送装置23上的螺旋杆的旋转方向保持一致，其角度为30°～50°，螺距为20～30，相关数值根据螺旋输送装置23的机头内部空间调整。

参照图3所示，所述螺旋输送装置23包括机筒231、螺旋杆232和机头233，所述螺旋杆232设置在机筒231内，并且所述螺旋杆232与电机21连接，所述机头233设置在机筒231的头部位置处，所述环形导管241贯穿机头233的侧壁。所述机头233的内部设有出料口2331，所述出料口2331呈锥形设置，所述若干花瓣本体242远离环形导管241的一端穿出出料口2331。所述环形导管241与贯穿机头233所在径向截面之间的角度范围为：30～75度。螺旋杆232转速范围为30rpm～60rpm。

参照图6所示，所述连续送丝单元3包括座架31、张紧弹簧32、滚轮装置33、伺服电机34和螺栓35，所述座架31通过螺栓35和螺旋输送装置23连接，所述座架31上设有纤维卷，所述滚轮装置33和伺服电机34均设置在座架31上，所述纤维卷上的植物纤维经过滚轮装置33的导向进入纤维导线管24内，所述张紧弹簧32与用于提供滚轮装置33的张紧力。所述座架31上设有限位导向进入管311，所述纤维卷上的植物纤维穿过限位导向进入管311。所述滚轮装置33包括主导向轮331和辅助导向轮332，所述植物纤维穿过主导向轮331和辅助导向轮332，所述张紧弹簧32与主导向轮331连接用于保持主导向轮331张紧植物纤维。所述连续送丝单元3的植物纤维输送速度为：40～80mm/s。

本发明的连续纤维可再生复合材料一步成型装置主要包括空间自由运动、塑化挤压、连续送丝三个环节。其中塑化挤压的主要实施装置由电机、固定支撑、螺旋输送装置、加热块、固定孔和喂料装置组成。螺旋输送装置是由螺旋杆、机筒、植物纤维导向管和机头组成。连续送丝的主要实施装置由座架、张紧弹簧和滚轮装置，伺服电机，螺栓组成。其中为了实现复杂形状的制造，为了确保增材加工过程中物料挤出与植物纤维传输同步进行，连续送丝的座架与塑化挤压的固定孔通过连接为整体。整套装置通过固定支撑与机械手或者电机导轨运动装置连接，从而实现空间内的运动。

基于上述结构的基础上，一种连续纤维可再生复合材料一步成型装置的方法，包括如下步骤：

S1、通过固定支撑22将设备连接在自由运动系统1上，自由运动系统1提供产品的成型的运动轨迹；

S2、将植物纤维穿过连续送丝单元3的主导向轮331和辅助导向轮332之间，并且植物纤维经过环形导管241引入若干花瓣本体242之间；

S3、通过加热块25对螺旋输送装置23进行加热，使螺旋输送装置23达到工作温度；

S4、启动电机21带动螺旋输送装置23中的螺旋杆232以一定的转速匀速转动；

S5、将热塑性塑料通过加料口26加入螺旋输送装置23中，完全塑化熔融的塑料在机头233的型腔内流经若干花瓣本体242之间的分隔间隙244，实现对连续植物纤维的局部预浸润，最终植物纤维和塑化熔融的塑料二者经过机头233实现连续均匀挤出；

S6、调整伺服电机34的转速和张紧弹簧32的压力，确保塑料熔体对连续植物纤维形成均匀、连续的包裹；

S7、连续挤出的连续植物纤维填充热塑性复合材料在工作台的成型区域上逐层沉积，形成目标样品。

参照图7所示，是采用连续竹纤维增强聚乙烯制备得到的复合材料，图8是其拉伸应力-应变曲线，可以看出，相比于纯聚乙烯材料，采用竹纤维增强的复合材料拉伸强度和弹性模量大幅增加。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种连续纤维可再生复合材料一步成型装置，其特征在于，包括：自由运动系统、塑化挤压单元和连续送丝单元，所述塑化挤压单元和自由运动系统连接，并且所述自由运动系统驱动塑化挤压单元在空间内实现运动，所述连续送丝单元用于向塑化挤压单元内送入植物纤维；

所述塑化挤压单元包括电机、固定支撑架、螺旋输送装置、纤维导线管、加热块和加料口，所述电机和螺旋输送装置均设置在固定支撑架上，并且电机和螺旋输送装置连接，并且所述电机作为螺旋输送装置的驱动源，所述加热块和螺旋输送装置连接，所述加料口设置在螺旋输送装置上，并且所述加料口用于向螺旋输送装置内供料，所述纤维导线管设置在螺旋输送装置的机头和连续送丝单元之间，所述纤维导线管用于将连续送丝单元内的植物纤维导入螺旋输送装置的机头内，所述螺旋输送装置的机头内塑化熔融的塑料与纤维导线管导入的植物纤维均匀挤出。

2.根据权利要求1所述的连续纤维可再生复合材料一步成型装置，其特征在于：所述纤维导线管包括环形导管和若干花瓣本体，所述若干花瓣本体的一端与环形导管连接，所述环形导管设置在螺旋输送装置上，所述若干花瓣本体位于螺旋输送装置的机头内，并且若干花瓣本体的另一端延伸出旋输送装置的机头，所述环形导管的中心为供植物纤维穿过的腔体一。

3.根据权利要求2所述的连续纤维可再生复合材料一步成型装置，其特征在于：所述若干花瓣本体以环形导管的中心线为圆心按照环形阵列的方式设置，并且所述若干花瓣本体之间设有分隔间隙，所述若干花瓣本体之间的中心区域为供植物纤维穿过的腔体二。

4.根据权利要求2所述的连续纤维可再生复合材料一步成型装置，其特征在于：所述螺旋输送装置包括机筒、螺旋杆和机头，所述螺旋杆设置在机筒内，并且所述螺旋杆与电机连接，所述机头设置在机筒的头部位置处，所述环形导管贯穿机头的侧壁。

5.根据权利要求4所述的连续纤维可再生复合材料一步成型装置，其特征在于：所述机头的内部设有出料口，所述出料口呈锥形设置，所述若干花瓣本体远离环形导管的一端穿出出料口。

6.根据权利要求4所述的连续纤维可再生复合材料一步成型装置，其特征在于：所述环形导管与贯穿机头所在径向截面之间的角度范围为：30～75度。

7.根据权利要求1所述的连续纤维可再生复合材料一步成型装置，其特征在于：所述连续送丝单元包括座架、张紧弹簧、滚轮装置、伺服电机和螺栓，所述座架通过螺栓和螺旋输送装置连接，所述座架上设有纤维卷，所述滚轮装置和伺服电机均设置在座架上，所述纤维卷上的植物纤维经过滚轮装置的导向进入纤维导线管内，所述张紧弹簧与用于提供滚轮装置的张紧力。

8.根据权利要求7所述的连续纤维可再生复合材料一步成型装置，其特征在于：所述座架上设有限位导向进入管，所述纤维卷上的植物纤维穿过限位导向进入管。

9.根据权利要求8所述的连续纤维可再生复合材料一步成型装置，其特征在于：所述滚轮装置包括主导向轮和辅助导向轮，所述植物纤维穿过主导向轮和辅助导向轮，所述张紧弹簧与主导向轮连接用于保持主导向轮张紧植物纤维。

10.根据权利要求1所述的连续纤维可再生复合材料一步成型装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、通过固定支撑将设备连接在自由运动系统上，自由运动系统提供产品的成型的运动轨迹；

S2、将植物纤维穿过连续送丝单元的主导向轮和辅助导向轮之间，并且植物纤维经过环形导管引入若干花瓣本体之间；

S3、通过加热块对螺旋输送装置进行加热，使螺旋输送装置达到工作温度；

S4、启动电机带动螺旋输送装置中的螺旋杆以一定的转速匀速转动；

S5、将热塑性塑料通过加料口加入螺旋输送装置中，完全塑化熔融的塑料在机头的型腔内流经若干花瓣本体之间的分隔间隙，实现对连续植物纤维的局部预浸润，最终植物纤维和塑化熔融的塑料二者经过机头实现连续均匀挤出；

S6、调整伺服电机的转速和张紧弹簧的压力，确保塑料熔体对连续植物纤维形成均匀、连续的包裹；

S7、连续挤出的连续植物纤维填充热塑性复合材料在工作台的成型区域上逐层沉积，形成目标样品。