[发明专利]一种短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置

说明书

本发明涉及短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置，主要应用于碳纤维材料的3D打印，将短切碳纤维和树脂材料混合并制成一种可热塑性打印的丝材。该装置主要由热熔加热装置、气压挤出装置、非对称式均匀搅拌装置、短碳纳米管纤维极化处理装置和自动盘丝装置这五个装置构成，其中碳纤维复合材料的均匀混合和短切碳纤维的极化处理是材料改性的两个主要过程。本发明提高了短切碳纤维和复合材料混合的均匀程度、保证了短切碳纤维的碳纳米管结构在复合材料中的定向排列形式和实现了碳纤维和热塑性复合材料小规格丝材的预制。3D打印预制丝材可提高碳纤维结构件打印精度和碳纤维结构件的机械性能。

技术领域

本发明涉及一种短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置。

背景技术

近几年来，随着3D打印技术的迅速发展，碳纤维材料也有了新的成形形式。目前，由于碳纤维在大批量生产过程中存在杂质的影响，故生产连续较长的碳纳米管需要较高的工艺处理成本，因此短切碳纤维仍然占据着较大的碳纤维市场。

常见的3D打印成形技术有：SLA技术、FDM技术、SLS技术、LOM技术和3DP技术等。其中FDM是3D打印中最常见技术，因其运行成本低、打印质量好、成形精度高、材料种类多和后期处理简单等优势，因而被广泛使用。

为了实现碳纳米管形式的短切碳纤维通过3D打印的形式制造出来，目前还没有短切碳纤维在热塑性复合材料基质中的定向排列的处理方法，目前常用的方法主要为短切碳纤维和热塑性复合材料混合后打印。目前的混合方式下短切碳纤维在热塑性复合材料基质中呈现各向异性的空间排列形式，该排列形式下碳纤维的材料的力学性能不佳。

发明内容

针对热塑性复合材料基质中短碳纳米管纤维空间取向的处理问题，本发明的目的在于提供一种短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置。该装置得到优化改性的碳纤维复合材料丝材可直接应用于高精度3D打印碳纤维结构功能件。主要应用于碳纤维材料的3D打印，将短切碳纤维和热塑性复合材料混合并制成一种可进行热塑性的3D丝材。该装置处理后的丝材中碳纳米管能够保持定向排列的紧密排列形式，可极大地提高3D打印形式下的碳纤维结构件的机械性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置，包括热熔加热装置、气压挤出装置、非对称式均匀搅拌装置、短碳纳米管纤维极化处理装置和自动盘丝装置；该设备所有的装置全部安装在工作台上，工作台要求有良好的隔热性能，所有的装置的工作均由主控制器控制和配电。以上五个装置通过主控制器进行控制，设置交互型的显示屏以及按钮，用户可以设定材料的加热温度、熔料腔工作气压、均匀搅拌转速、极化电场的强度和收料卷筒的规格尺寸。通过用户给定的参数，微处理器进行运算处理，实现以上五个装置的协调处理，最终完成短切碳纤维热塑性复合材料定向排列的丝材制备过程。

所述热熔加热装置是由熔料腔密封盖、熔料腔体、加热管和热电偶组成，所述加热管安装在熔料腔体的底部，熔料腔体的温度通过热电偶进行检测，并将温度信号传递到主控制器上，主控制器将检测温度信号和输入参数进行比较来确定加热管是否需要加热，熔料腔密封盖安装在熔料腔体的顶端。热熔加热装置的布置位置需考虑整个装置的温度场热传递过程，要确保熔料腔中的制件完全熔化，单向转接管中材料也是完全熔化，挤出导管出口位置热塑材料的温度要低于玻璃化转变温度并且略微固化成丝状以便后面盘丝收集。