[發明專利]碳纖維熱塑性復合材料智能結構制造裝置與方法

有效

• 申請號: 201711242478.5
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN108127905B
• 公開（公告）日: 2019-07-02
• 發明（設計）人: 姚鑫驊;欒叢叢;劉加朋;劉丞哲;傅建中
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B29C64/106
• 分類號: B29C64/106;B29C64/118;B29C64/336;B33Y30/00;B33Y10/00;B33Y70/00;B29K307/04
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 徐敏

本發明公開了碳纖維熱塑性復合材料智能結構制造裝置，包括運動模塊和熱塑性復合材料打印模塊，還包括碳纖維鋪設模塊和灌注模塊；本發明還公開了碳纖維熱塑性復合材料智能結構的制造方法；本發明裝置和方法將碳纖維和熱塑性復合材料通過三維打印技術進行集成，不僅可大幅提高三維打印熱塑性材料強度，而且能夠實現智能結構狀態自監測，同時還可以通過在智能結構內部設置孔道，并在相鄰孔道內部分別填充不同組份的樹脂，可實現智能結構損傷自修復，對拓展三維打印熱塑性復合材料應用領域具有重要意義。

技術領域

本發明涉及碳纖維熱塑性復合材料制造領域，特別涉及碳纖維熱塑性復合材料智能結構制造裝置與方法。

背景技術

三維打印技術作為近年來新興的快速制造技術得到越來越多的關注，其采用材料層層疊加的原理將三維設計數據經快速制造裝備直接制造出成品，而不需要任何刀具。熱塑性材料熔融沉積成形技術以其低成本，易操作而成為眾多三維打印技術中應用最為廣泛的技術之一，但打印結構件機械強度較差的固有屬性極大限制了其工業級應用。現有技術中，有研究者提出各種手段來提高結構強度，有研究者就提出了通過嵌入碳纖維來提高三維打印熱塑性復合材料的強度，從而極大拓展其工業級應用范圍。

碳纖維是一種含碳量在95％以上的高強度、高模量的新型纖維材料，其具有許多優良的性能，如高強度，低密度，耐疲勞，熱膨脹系數小，良好的導電導熱等性能。充分挖掘碳纖維良好的導電特性，利用其良好的力阻特性，可實現三維打印熱塑性復合材料的結構健康狀態自感知。已有研究表明，碳纖維電阻值變化能夠實時反映結構應力應變狀態以及損傷等健康狀態。

現有技術中，已經有研究者提出了一些碳纖維鋪設的裝置和方法，但是現有技術中的碳纖維鋪設裝置大多結構復雜且用途單一，單獨用于三維打印或者單獨進行鋪絲，因此，將多種功能整合以適用于制造多功能的智能結構具有重要意義。

發明內容

本發明提供了碳纖維熱塑性復合材料智能結構制造裝置，集成多種打印功能，實現多種類型的熱塑性復合材料智能結構的制造。

碳纖維熱塑性復合材料智能結構制造裝置，包括運動模塊和熱塑性復合材料打印模塊，還包括碳纖維鋪設模塊和灌注模塊。

本發明將碳纖維和熱塑性復合材料通過三維打印技術進行集成，打印碳纖維不僅可大幅提高三維打印熱塑性材料強度，而且能夠實現智能結構狀態自監測。同時設有灌注模塊可以根據需要在熱塑性復合材料智能結構的孔道或者孔洞中注射各種膠狀或者液態的材料，使熱塑性復合材料智能結構可以完成更多的功能。

為了方便制造和安裝，優選的，所述熱塑性復合材料打印模塊包括：

第一絲材擠出單元，用于向前推擠熱塑性材料打印絲材；

第一動力源，向所述第一絲材擠出單元提供動力；

喉管，與所述第一絲材擠出單元的出絲口連通；

第一散熱結構，設置在所述喉管的外周；

第一加熱單元，設有與所述喉管連通的第一絲材通道；

第一打印頭，與所述第一絲材通道的出絲口連通。

熱塑性材料打印絲材在第一加熱單元的第一絲材通道內融化再從第一打印頭擠出進行三維打印。

喉管起到引導熱塑性絲材的作用，第一散熱結構包括設置在所述喉管的外壁上的散熱片以及固定在所述喉管外周的散熱器，以實現更好的散熱，防止絲材在喉管內提前融化，還可以設置和散熱器配合的冷卻器。

為了提高碳纖維的打印效果，優選的，所述碳纖維鋪設模塊包括：

第二絲材擠出單元，用于向前推擠熱塑性材料打印絲材；

第二動力源，向所述第二絲材擠出單元提供動力；