[發(fā)明專利]一種碳纖維增強復合材料的3D打印方法及裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410551215.2
• 申請日: 2014-10-17
• 公開（公告）號: CN104309122A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發(fā)明（設計）人: 李好義;楊華光;何雪濤;遲百宏;閻華;丁玉梅;楊衛(wèi)民
• 申請（專利權(quán)）人: 北京化工大學
• 主分類號: B29C67/00
• 分類號: B29C67/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領域

本發(fā)明主要涉及新型3D打印機技術(shù)領域，尤其涉及一種碳纖維增強復合材料的3D打印方法及裝置。

技術(shù)背景

3D打印是快速成型技術(shù)的一種形式，其原理是通過逐層打印的方式來創(chuàng)造實物。

現(xiàn)有的3D打印機多是利用熱熔噴嘴、激光束、光固化等方式將金屬粉末、塑料等材料進行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實體產(chǎn)品。與傳統(tǒng)制造業(yè)車、銑、刨、磨等機械加工方式相比，3D打印技術(shù)具有勞動強度低、速度快及價格便宜等優(yōu)點。但目前的3D打印技術(shù)基本都是加工制造小制品，或者通過先加工小零件在組裝而成整體。對于加工大型尺寸的塑料制品時，制造難度大、效率低且加工成本高。

目前的3D成型材料主要是聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸二醇酯、聚芳酯以及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯等熱塑性材料或少數(shù)金屬材料。中國專利(專利公布號CN103756293A)公開了一種3D打印材料，該材料包括熱塑性塑料粉末和粘接劑，粘接度和牢固度都較高，但是這些材料硬度、強度仍然較低，打印出來的部件較脆易碎；中國專利(專利公布號CN103862040A)公開了一種用于3D打印的鎂基金屬粉末的材料，該材料以金屬鎂粉為基本材料克服了熱塑性材料打印制品硬度、強度不高的缺點，但是打印出來的制品重量較大，不適合應用于航天領域與高端汽車等領域。

而碳纖維增強復合材料具有碳材料的固有本征特性，又有紡織纖維的柔軟可加工性，優(yōu)越的綜合性能使其成為新一代軍民兩用的先進復合材料，現(xiàn)有的碳纖維增強復合材料制品多采用注射成型的方法，成型制品工藝復雜、成本較高，并且難以成型大型制品。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種碳纖維增強復合材料的3D打印方法及裝置，基于微積分原理將制品模型切成若干條帶狀單元，利用打印機噴頭精確定位鋪設碳纖維增強復合材料，同時利用激光加熱熔接相鄰帶狀碳纖維增強復合材料直到成型整個制品，這種方法特別適用于加工大型制品，能提高復雜制品的生產(chǎn)效率和降低加工成本，且打印出來的實體部件強度和剛度都能大大的提高。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種碳纖維增強復合材料的3D打印裝置，主要包括放卷裝置、送料裝置、打印供料頭、激光發(fā)生器、激光頭一、激光頭二和工作臺，由碳纖維增強復合材料制成的帶卷曲在放卷裝置上，由送料裝置驅(qū)動進入打印供料頭，打印供料頭將碳纖維增強復合材料帶鋪設在工作臺上，激光發(fā)生器的激光源一分為二成為激光頭一和激光頭二對碳纖維增強復合材料帶的側(cè)面和底面進行加熱，工作臺具有打印成型所需的三維運動。

本發(fā)明一種碳纖維增強復合材料的3D打印裝置，所述的激光發(fā)生器功率可以調(diào)節(jié)，激光發(fā)生器發(fā)出的激光是線性激光，激光一分為二，給激光頭一和激光頭二提供激光源，線性激光的寬度可以根據(jù)打印供料頭寬度調(diào)節(jié)，線性激光的功率根據(jù)打印材料熔融需要的溫度和速度進行調(diào)節(jié)，激光加熱具有加熱快，熔化層薄的優(yōu)勢能夠達到快速打印的目的，送料裝置的送料速度要跟激光加熱的強度和時間相協(xié)調(diào)，確保每個相鄰的碳纖維增強復合材料帶都能牢固地粘接在一起。

本發(fā)明一種碳纖維增強復合材料的3D打印裝置，所述的碳纖維增強復合材料帶為帶狀的碳纖維長纖維或者短纖維填充的熱塑性聚合物復合材料，帶寬3mm-80mm，厚度0.5mm-30mm，碳纖維增強復合材料帶的基體可為ABS樹脂或其他熱塑性工程樹脂。

采用本發(fā)明一種碳纖維增強復合材料的3D打印裝置進行打印的方法，卷曲在放卷裝置上的碳纖維增強復合材料帶由送料裝置驅(qū)動喂料進入打印機供料頭，工作臺在程序驅(qū)帶動下進行X-Y-Z三維的運動，在將碳纖維增強復合材料鋪設在工作臺的同時，激光發(fā)生器的激光頭一和激光頭二對帶狀碳纖維增強復合材料帶的側(cè)面和底面進行加熱，將碳纖維增強復合材料帶與相鄰的帶狀碳纖維增強復合材料粘接在一起，該過程重復直到完整制品的打印為止。

本發(fā)明一種碳纖維增強復合材料的3D打印方法，在打印目標產(chǎn)品外部細節(jié)時，調(diào)換絲狀碳纖維增強復合材料，細節(jié)處所用材料為長碳纖維和樹脂的復合材料或者無纖維填充的工程塑料的細絲，絲線直徑0.5-3mm，復合材料為ABS樹脂和短碳纖維的復合材料，細絲打印材料滿足細部打印的靈活性和精度的要求。

本發(fā)明一種碳纖維增強復合材料的3D打印方法，在打印目標產(chǎn)品外部細節(jié)時，也可直接調(diào)換點激光對打印用的細絲進行加熱。