[发明专利]一种碳纤维增强复合材料的3D打印方法及装置

说明书

技术领域

本发明主要涉及新型3D打印机技术领域，尤其涉及一种碳纤维增强复合材料的3D打印方法及装置。

技术背景

3D打印是快速成型技术的一种形式，其原理是通过逐层打印的方式来创造实物。

现有的3D打印机多是利用热熔喷嘴、激光束、光固化等方式将金属粉末、塑料等材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业车、铣、刨、磨等机械加工方式相比，3D打印技术具有劳动强度低、速度快及价格便宜等优点。但目前的3D打印技术基本都是加工制造小制品，或者通过先加工小零件在组装而成整体。对于加工大型尺寸的塑料制品时，制造难度大、效率低且加工成本高。

目前的3D成型材料主要是聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸二醇酯、聚芳酯以及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯等热塑性材料或少数金属材料。中国专利(专利公布号CN103756293A)公开了一种3D打印材料，该材料包括热塑性塑料粉末和粘接剂，粘接度和牢固度都较高，但是这些材料硬度、强度仍然较低，打印出来的部件较脆易碎；中国专利(专利公布号CN103862040A)公开了一种用于3D打印的镁基金属粉末的材料，该材料以金属镁粉为基本材料克服了热塑性材料打印制品硬度、强度不高的缺点，但是打印出来的制品重量较大，不适合应用于航天领域与高端汽车等领域。

而碳纤维增强复合材料具有碳材料的固有本征特性，又有纺织纤维的柔软可加工性，优越的综合性能使其成为新一代军民两用的先进复合材料，现有的碳纤维增强复合材料制品多采用注射成型的方法，成型制品工艺复杂、成本较高，并且难以成型大型制品。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术所存在的不足，提供一种碳纤维增强复合材料的3D打印方法及装置，基于微积分原理将制品模型切成若干条带状单元，利用打印机喷头精确定位铺设碳纤维增强复合材料，同时利用激光加热熔接相邻带状碳纤维增强复合材料直到成型整个制品，这种方法特别适用于加工大型制品，能提高复杂制品的生产效率和降低加工成本，且打印出来的实体部件强度和刚度都能大大的提高。

本发明采用的技术方案是：一种碳纤维增强复合材料的3D打印装置，主要包括放卷装置、送料装置、打印供料头、激光发生器、激光头一、激光头二和工作台，由碳纤维增强复合材料制成的带卷曲在放卷装置上，由送料装置驱动进入打印供料头，打印供料头将碳纤维增强复合材料带铺设在工作台上，激光发生器的激光源一分为二成为激光头一和激光头二对碳纤维增强复合材料带的侧面和底面进行加热，工作台具有打印成型所需的三维运动。

本发明一种碳纤维增强复合材料的3D打印装置，所述的激光发生器功率可以调节，激光发生器发出的激光是线性激光，激光一分为二，给激光头一和激光头二提供激光源，线性激光的宽度可以根据打印供料头宽度调节，线性激光的功率根据打印材料熔融需要的温度和速度进行调节，激光加热具有加热快，熔化层薄的优势能够达到快速打印的目的，送料装置的送料速度要跟激光加热的强度和时间相协调，确保每个相邻的碳纤维增强复合材料带都能牢固地粘接在一起。

本发明一种碳纤维增强复合材料的3D打印装置，所述的碳纤维增强复合材料带为带状的碳纤维长纤维或者短纤维填充的热塑性聚合物复合材料，带宽3mm-80mm，厚度0.5mm-30mm，碳纤维增强复合材料带的基体可为ABS树脂或其他热塑性工程树脂。

采用本发明一种碳纤维增强复合材料的3D打印装置进行打印的方法，卷曲在放卷装置上的碳纤维增强复合材料带由送料装置驱动喂料进入打印机供料头，工作台在程序驱带动下进行X-Y-Z三维的运动，在将碳纤维增强复合材料铺设在工作台的同时，激光发生器的激光头一和激光头二对带状碳纤维增强复合材料带的侧面和底面进行加热，将碳纤维增强复合材料带与相邻的带状碳纤维增强复合材料粘接在一起，该过程重复直到完整制品的打印为止。

本发明一种碳纤维增强复合材料的3D打印方法，在打印目标产品外部细节时，调换丝状碳纤维增强复合材料，细节处所用材料为长碳纤维和树脂的复合材料或者无纤维填充的工程塑料的细丝，丝线直径0.5-3mm，复合材料为ABS树脂和短碳纤维的复合材料，细丝打印材料满足细部打印的灵活性和精度的要求。

本发明一种碳纤维增强复合材料的3D打印方法，在打印目标产品外部细节时，也可直接调换点激光对打印用的细丝进行加热。