CN211994207U - 一种用于熔融沉积成型的智能增强线材 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于熔融沉积成型的智能增强线材，包括智能增强芯材和包裹在智能增强芯材外的包材，其中，所述智能增强芯材包括由外表面涂覆有绝缘层的碳纤维和HGCCST线材交缠而成复合内芯，以及包裹复合内芯的光固化树脂，所述包材采用热塑性树脂。与现有技术相比，本实用新型具有智能特征，且整体结构强度高等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于3D打印技术领域，涉及一种用于熔融沉积成型的智能增强线材及其制备方法。
背景技术
熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)，又称熔丝沉积，是一种增材制造(又称为3D打印)技术。FDM熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度(即分层厚度)再成型下一层，直至形成整个实体造型。目前，市面上没有一种能使得熔融沉积线材具备智能化特性的方法与技术，此外，现有的线材的结构强度也比较低，这限制了其在高端场合的应用。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于熔融沉积成型的智能增强线材及其制备方法。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
本实用新型的技术方案之一提出了一种用于熔融沉积成型的智能增强线材，包括智能增强芯材和包裹在智能增强芯材外的包材，其中，所述智能增强芯材包括由外表面涂覆有绝缘层的碳纤维和HGCCST线材交缠而成复合内芯，以及包裹复合内芯的光固化树脂层，所述包材采用热塑性树脂包覆层。
进一步的，所述光固化树脂层的耐受热温度为255℃及以上。
进一步的，所述的碳纤维的耐受热温度在300℃以上。
进一步的，所述HGCCST线芯的耐受热温度为300℃及以上。所述HGCCST线芯的具体结构已在参考文献(Yanlong Tai,Gilles Lubineau.Smart Threads:Double-TwistedConductive Smart Threads Comprising a Homogeneously and a Gradient-CoatedThread for Multidimensional Flexible Pressure-Sensing Devices(Adv.Funct.Mater.23/2016)[J].Advanced Functional Materials,2016,26(23).)中公开。
进一步的，所述光固化树脂为市面上可采购到的，用于三维打印的TPU树脂。
进一步的，所述热塑性树脂包覆层的材质为PVC、PLA或ABS。
进一步的，所述智能增强芯材的直径控制为380-420微米。更优选为400微米。
进一步的，碳纤维和HGCCST线材的交缠方式为：将HGCCST线材在碳纤维外表面绕两至四圈后，再采用绞线机缠绕处理。
本实用新型的技术方案之二提出了一种用于熔融沉积成型的智能增强线材的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备智能增强芯材：
取碳纤维，在其外表面涂覆绝缘层后，再与HGCCST线材交缠而成复合内芯，接着，在复合内芯外侧浸涂光固化树脂，固化后，得到智能增强芯材；
(2)制备智能增强线材：
将步骤(1)得到的智能增强芯材与热塑性树脂挤压复合成型，即得到智能增强线材。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
(1)通过采用光固化树脂包裹复合内芯形成保护层，可以保证在后续熔融挤出成型过程中，复合内芯免收高温影响，从而保证了智能增强线材的智能特征与高强结构强度的复合功能的实现。
(2)所获得的线材获得了全新的智能化能力和结构增强特性，新型的线材将同时具有感应压力的能力和更高的结构强度，并且能够结合熔融沉积成型的特征，为智能增强化构件的设计制造提供了相当的可能性。
附图说明
图1为智能增强线材制备的工艺流程图；
图2为光固化树脂涂覆的示意图；
图3为挤压成型设备的结构示意图；
图4为智能增强线材的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
HGCCST线材的获取可参考文献(Yanlong Tai,Gilles Lubineau.Smart Threads:Double-Twisted Conductive Smart Threads Comprising a Homogeneously and aGradient-Coated Thread for Multidimensional Flexible Pressure-Sensing Devices(Adv.Funct.Mater.23/2016)[J].Advanced Functional Materials,2016,26(23).)，HGCCST线材需对长度进行截取使之适合设备，并且需留意线材有无误差超过设备容许的上限的部分。绝缘层为本领域常用的电绝缘层，对此，可以考虑使用例如聚酯漆包线漆对碳纤维进行处理，方法与制备漆包线无异。
而其余如无特别说明的原料或处理技术，则表明均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
本实用新型的技术方案之一提出了一种用于熔融沉积成型的智能增强线材，其结构参见图4所示，包括智能增强芯材和包裹在智能增强芯材外的包材34，其中，所述智能增强芯材包括由外表面涂覆有绝缘层的碳纤维31和HGCCST线材32交缠而成复合内芯，以及包裹复合内芯的光固化树脂层33，所述包材34采用热塑性树脂包覆层34。
上述方案的一种具体的实施方式中，所述光固化树脂层33的耐受热温度为255℃及以上。
上述方案的一种具体的实施方式中，所述的碳纤维31的耐受热温度在300℃以上。
上述方案的一种具体的实施方式中，所述HGCCST线芯的耐受热温度为300℃及以上。所述HGCCST线芯的具体结构已在参考文献(Yanlong Tai,Gilles Lubineau.SmartThreads:Double-Twisted Conductive Smart Threads Comprising a Homogeneouslyand a Gradient-Coated Thread for Multidimensional Flexible Pressure-SensingDevices(Adv.Funct.Mater.23/2016)[J].Advanced Functional Materials,2016,26(23).)中公开。
上述方案的一种具体的实施方式中，所述光固化树脂层33为市面上可采购到的，用于三维打印的TPU树脂。
上述方案的一种具体的实施方式中，所述热塑性树脂包覆层34的材质为PVC、PLA或ABS。
上述方案的一种具体的实施方式中，所述智能增强芯材的直径控制为380-420微米。
上述方案的一种具体的实施方式中，碳纤维31和HGCCST线材32的交缠方式为：将HGCCST线材32在碳纤维31外表面绕两至四圈后，再采用绞线机缠绕处理。
本实用新型的技术方案之二提出了一种用于熔融沉积成型的智能增强线材的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备智能增强芯材：
取碳纤维31，在其外表面涂覆绝缘层后，再与HGCCST线材32交缠而成复合内芯，接着，在复合内芯外侧浸涂光固化树脂层33，固化后，得到智能增强芯材；
(2)制备智能增强线材：
将步骤(1)得到的智能增强芯材与热塑性树脂挤压复合成型，即得到智能增强线材。
以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两或更多的组合实施。
下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。
实施例1：
本实施例提供了一种用于熔融沉积成型的智能增强线材的制备方法，具体可参见图1和图2所示。
(1)智能增强芯材制备：
参见图1所示，HGCCST线材32经预处理至合适长度后，与表面涂覆有绝缘层的碳纤维31，手工预卷绕处理(即将HGCCST线材32绕碳纤维31两到四周)，随后进入绞线机内进行缠绕处理，得到交缠的智能增强内芯，此处进入绞线机前还可以先浸涂一层胶水，以确保缠绕牢固。接着，增强智能芯材的表面再浸涂一层光固化树脂层33(本实施例优选TPU树脂)，最后得到总直径在400微米左右的智能增强芯材。
(2)智能增强线材制备：
由步骤(1)所得的智能增强芯材，再采用ABS树脂作为原料，通过挤压成型的方式，在智能增强芯材表面包覆一层ABS材料层，得到最终的中心为缠绕有HGCCST线材32的碳纤维31、外面包覆两层不同性质树脂的可用于熔融沉积打印的线材，即为目的产物。
本实施例所得的线材具有智能增强特征，性质稳定，不需要重新设计3D打印机，制备工艺无污染。
实施例2-实施例3
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中的ABS材料分别替换为PVC和PLA。
将上述实施例1和实施例3制得增强线材与常规传统的PLA线材和ABS线材进行比较，所得强度性能结果如下表1。
表1
| 性能测试 | 传统PLA线材 | 实施例3 | 传统ABS线材 | 实施例1 |
| 平均拉伸强度 | ≥60MPa | ≥10GPa | ≥43MPa | ≥10GPa |
同时，将上述实施例1-实施例3所制得的智能线材，同HGCCST线材一样，其同样能完成感应并完成参数输出，这表明所制得的智能线材具有感应压力等能力，可实现在智能化构件上的应用。(测试方法参考下述文献，Yanlong Tai,Gilles Lubineau.SmartThreads:Double-Twisted Conductive Smart Threads Comprising a Homogeneouslyand a Gradient-Coated Thread for Multidimensional Flexible Pressure-SensingDevices(Adv.Funct.Mater.23/2016)[J].Advanced Functional Materials,2016,26(23).)
实施例4
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中进一步限定了光固化树脂的浸涂过程，整个光固化树脂是在专用浸涂设备中进行，其参见图2所示：
浸涂设备，如图1所示，包括：
浸涂机构：包括盛装有浸涂液104的浸涂池1033，以及固定在浸涂池1033上为浸涂液104加热的加热模块106；浸涂池1033通过管道113连接有储液池114，储液池114内储存有浸涂液104，管道113上设置有控制管道113通断的电控阀门112(可以采用电磁阀等)。浸涂池1033与储液池114材料使用无机且高温下物理性质稳定的材料。浸涂池1033内壁上设置有测量浸涂液104温度的温度传感器107。浸涂池1033尺寸为30cm*20cm*30cm，储液池114容积为2L。加热模块106可达到的最高温度为200℃。
传动机构：包括收纳缠绕原料线材的原料线盘101，以及沿线材走向顺次设置的滑轮组，使得线材顺次通过浸涂机构和固化机构；滑轮组包括第一滑轮102、第二滑轮108、第三滑轮109和高摩擦滑轮111，第一滑轮102设置于浸涂机构与原料线盘101之间，第二滑轮108设置于所述浸涂池1033内，第三滑轮109设置于浸涂机构与固化机构之间，高摩擦滑轮111设置于固化机构后。
第一滑轮102、第二滑轮108、第三滑轮109和高摩擦滑轮111中央设有凹槽槽，凹槽直径可根据浸涂用丝材进行调节，从而防止丝材滑脱或偏移。高摩擦滑轮111处设置有对线材直径进行测量的直径测量仪110。高摩擦滑轮111连接电机，电机通过控制高摩擦滑轮111来调控线材行进速度。第二滑轮108连接有检测第二滑轮108转速的转速传感器105。滑轮组表面均使用聚四氟乙烯进行处理，避免表面留有浸涂液104造成损耗或破坏传动结构。滑轮组的滑轮直径为10cm。线材行进速度为0.1mm/s到5mm/s。
固化机构：包括烘干线材的蒸发烘箱115，以及对浸涂后的线材进行固化的光固化腔116，蒸发烘箱115通过回流导管117与所述浸涂池1033相连通。蒸发烘箱115与回流导管117相结合，烘干丝材表面多余浸涂液104并使之回流至浸涂池1033，减少原材料的浪费并避免对大气造成污染。光固化腔116通过高能UV光线将丝材表面浸涂液104进行固化，光固化腔116需使用耐高温材料，防止意外事故。蒸发烘箱115温度为102±3℃。
在运行过程中，原料线盘101是原料纤维收纳的位置，第一滑轮102在电机控制下和转速传感器105监测下以一定速度进入浸涂池1033，第二滑轮108调整纤维方向使之由第三滑轮109进入蒸发烘箱115。蒸发烘箱115蒸出浸涂液104经回流导管117回流至浸涂池1033。纤维离开蒸发烘箱115后进入光固化腔116后接受紫外光照射使浸涂液104固化为固态。直径测量仪110测量线材直径，对产品测定进行反馈。
本实施例中，还可以设置如PLC控制器等来分别连接直径测量仪、电控阀门、加热模块、温度传感器、高摩擦滑轮等，可以通过由直径测量仪、温度传感器、转速传感器等反馈对应的信号给PLC控制器，再由PLC控制器发出执行信号给对应的执行机构(即电控阀门、加热模块和高摩擦滑轮)，调控对应执行机构的运行状态(如启闭、运行速度、加热程度等)。
光固化腔即为一个由耐高温材料组成的可供线材通过的中空腔体，在中空腔体内设有可产生UV光纤的UV灯组，加热模块可以采用本领域常规的可实现加热功能的仪器，浸涂液可以为本领域常规的可镀覆在碳纤维等线材上的液态光固化树脂，其余如无特别说明的功能部件或结构，则表明均为本领域为实现对应功能的常规部件结构。
实施例5
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中进一步限定了热塑性树脂挤压包覆过程，其具体参见图1所示，挤压包覆设备如图3所示，包括挤压成型机构和传动机构两部分，其中挤压成型机构包括原料缸24、布置在原料缸24内并可沿其内壁来回移动的挤压活塞25、连接所述原料缸24出口的挤压成型空腔，以及从挤压成型空腔出来的线材进行冷却的冷却池27；传动机构包括设置在挤压成型空腔入口侧的入口传动滑轮22、位于入口传动滑轮22后方并可引导待成型线材21(即智能增强芯材)进入挤压成型空腔的引导通道23、引导成型后的线材进入冷却池27的出口传动滑轮26，以及位于冷却池27后方并可缠绕储存成型线材的缠绕转盘等等。
在具体操作过程中，在使用时，原料缸24先预热，熔融材料在预热后由原料缸24上的注料口注入原料缸24，待成型线材21(即智能增强芯材)由引导通道23外的入口传动滑轮22递入引导通道23，在设备开始运行时，挤压活塞25以一定力度施加压力，同时入口传动滑轮22、出口传动滑轮26与缠绕轮盘28按照一定速度旋转，将在挤压成型空腔内包覆有熔融或半熔融材料的线材从挤压成型空腔出口(即可替换内芯29处)带出，此时按照可替换内芯29内的成型通道的形状，获得半成品线材，在半成品线材进入冷却池27冷却后，获得带芯熔融沉积成型线材，即为目的产物。
本实施例中，原料缸24与挤压成型空腔的接口方向可以设置成倾斜朝向挤压成型空腔的出口，这样，原料缸24在挤压过程中也可以助于待成型芯材在挤压成型空腔内向其出口行进。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于熔融沉积成型的智能增强线材，其特征在于，包括智能增强芯材和包裹在智能增强芯材外的包材，其中，所述智能增强芯材包括由外表面涂覆有绝缘层的碳纤维和HGCCST线材交缠而成复合内芯，以及包裹复合内芯的光固化树脂层。
2.根据权利要求1所述的一种用于熔融沉积成型的智能增强线材，其特征在于，所述包材为热塑性树脂包覆层。
3.根据权利要求1所述的一种用于熔融沉积成型的智能增强线材，其特征在于，所述包材为PVC层、PLA层或ABS层。
4.根据权利要求1所述的一种用于熔融沉积成型的智能增强线材，其特征在于，所述绝缘层为聚酯漆包线漆。
5.根据权利要求1所述的一种用于熔融沉积成型的智能增强线材，其特征在于，所述光固化树脂层为TPU树脂包覆层。
6.根据权利要求1所述的一种用于熔融沉积成型的智能增强线材，其特征在于，所述光固化树脂层的耐受热温度在255℃及以上；
所述的碳纤维的耐受热温度在300℃以上。
7.根据权利要求1所述的一种用于熔融沉积成型的智能增强线材，其特征在于，所述智能增强芯材的直径控制为380-420微米。
8.根据权利要求7所述的一种用于熔融沉积成型的智能增强线材，其特征在于，所述智能增强芯材的直径控制为400微米。
9.根据权利要求1所述的一种用于熔融沉积成型的智能增强线材，其特征在于，碳纤维和HGCCST线材的交缠方式为：将HGCCST线材在碳纤维外表面绕两至四圈后，再绞线缠绕而成。
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