[發明專利]一種連續纖維熔融浸漬的3D打印裝置及工藝

有效

• 申請號: 202010050693.0
• 申請日: 2020-04-13
• 公開（公告）號: CN111186138B
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 賈明印;崔永輝;薛平
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: B29C64/209
• 分類號: B29C64/209;B29C64/20;B29C64/118;B29C64/314;B29C64/336;B33Y30/00;B33Y10/00;B33Y40/10;B33Y40/00;B33Y70/10
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一種連續纖維增強熱塑性樹脂熔融浸漬3D打印裝置及方法，以熱塑性樹脂為基體，以連續玻璃纖維或碳纖維為增強體。3D打印裝置包括擠出機、放卷輥、預張緊輥、紅外輻射裝置、氣輔擺動裝置、絲材浸潤模具、冷卻裝置和3D打印機。連續纖維束先經過預張緊輥進行預分散，紅外輻射裝置對連續纖維的上下表面進行預熱，預熱好的的連續纖維在氣輔擺動裝置作用下展開一定的寬度，隨后進入到絲材浸潤模具內，在波浪形流道的作用下完成樹脂基體對纖維束的浸潤過程，經內牽引輥的牽引向前輸送，經過圓形的定型口模后，成型為可用于3D打印的連續纖維預浸絲，經冷卻、送絲、打印，最終制得連續纖維增強熱塑性復合材料的3D打印制品。該發明可實現連續纖維在樹脂基體內的均勻分散和充分浸漬，制得具有良好界面結合、性能優異的3D打印連續纖維增強熱塑性復合材料制品，同時可實現連續纖維耗材、3D打印復合材料制品的實時一體化成型。

技術領域

本發明屬于復合材料制造領域，尤其涉及一種連續纖維增強熱塑性樹脂熔融浸漬3D打印裝置，以及采用該裝置的3D打印方法。

背景技術

傳統的單一材料成型的零件往往力學性能較差，難以滿足各行業對高性能材料的需求。近年來，研究人員將3D打印技術與纖維增強熱塑性復合材料結合起來，以達到提高打印件力學性能的目的，而短纖維是一種常用的增強材料，因為短纖維增強熱塑性復合材料具有相對簡單且成熟的制造工藝。盡管用短纖維增強熱塑性復合材料打印的零部件能提高其力學性能，但這些性能僅略好于純塑料，由于短纖維的存在，可以檢測到明顯的孔隙率和粘結不良現象，這也限制了復合材料機械性能的提升空間。采用連續纖維增強進行3D打印可以顯著提高熱塑性復合材料的性能。

目前，利用連續纖維增強熱塑性樹脂進行3D打印采用的主要方式是直接將連續纖維束引入到打印機的噴嘴中，連續纖維束和3D打印絲材同時通過打印機的噴嘴進行打印，該技術的主要缺陷是連續纖維與熱塑性樹脂基體的界面結合比較差，纖維束沒有經過充分浸漬，這主要是由于3D打印機噴嘴內流道較小短，物料在噴嘴內的停留時間較短，另外缺少足夠的成型壓力，導致樹脂基體對纖維束的浸漬效果比較差。這將不能充分發揮連續纖維對復合材料制品的增強作用。也有將纖維浸漬和打印分開進行的工藝方式，纖維與樹脂的浸潤性雖然有所改善，但通過預浸槽對固體樹脂進行加熱效率太低，熔融時間太長，且預浸槽內腔空間太多，容易使熔融樹脂在槽內長時間停留而氧化降解，影響復合材料制品的性能。另外，由于沒有施壓裝置，槽內浸漬壓力比較低，不利于樹脂基體對纖維進行浸漬，不能充分發揮連續纖維對復合材料的增強作用，成型工藝有待進一步提高。此外，3D打印連續纖維增強熱塑性復合材料制品的表面質量一般比較差，尤其是上表面，這主要和噴嘴出料口與制品的接觸面積較小、擠壓力不夠以及打印過程中的噴嘴內的滯料現象有關，需對噴嘴結構進行優化來提高復合材料制品的表面質量。

發明內容

克服上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種連續纖維增強熱塑性樹脂熔融浸漬3D打印裝置及工藝，實現一步法成型，纖維與樹脂基體界面結合良好，纖維充分分散，打印出的復合材料制品具有優異的力學性能，并顯著提高3D打印復合材料制品的表面質量。

為達到上述目的，本發明采用如下的技術方案：

一種連續纖維增強熱塑性樹脂熔融浸漬3D打印裝置，包括放卷輥、擠出機、預張緊輥、紅外輻射裝置、氣輔擺動裝置、絲材浸潤模具、冷卻裝置和3D打印機，所述擠出機與絲材浸潤模具呈直角式連接；所述絲材浸潤模具包括加熱棒、流道、內牽引輥和定型口模，絲材浸潤模具內的流道為波浪形流道，波浪形流道的包覆角為300°-450°，流道間隙為8~10mm，內牽引輥為一對相向旋轉的金屬輥，由伺服電機驅動，用來牽引纖維束，以及通過擠壓作用實現熔融樹脂對纖維束的浸潤，內牽引輥對纖維束的牽引速度與打印機送絲機構的送絲速度相同，定型口模固定在絲材浸潤模具的末端，定型口模的直徑D為0.7-1.2mm，長度為15~20D；所述3D打印機包括發散型噴嘴。