[发明专利]一种连续纤维增强复合材料3D打印机及其打印方法

说明书

本发明公开了一种连续纤维增强复合材料3D打印机及其打印方法，该3D打印机包括喷头、树脂箱、紫外光源、连续纤维盒和基体材料盒，所述树脂箱内设有上浆液，所述连续纤维盒内设有连续纤维，所述基体材料盒内设有基体材料；所述上浆液用于浸润所述连续纤维，所述紫外光源用于固化上浆液，所述喷头用于通过打印材料；还涉及一种利用上述打印机打印的打印方法，包括浸润、固化、连续纤维增强复合材料形成、打印成型的步骤；该发明的3D打印机及其打印方法减免了在打印前生产高强度复合耗材的复杂流程，在打印过程中实现连续纤维与基体材料的结合，提高了连续纤维与基体材料的结合度，有利于连续纤维增强复合材料的推广和利用。

技术领域

本发明涉及纤维增强复合材料3D打印技术领域，具体涉及一种连续纤维增强复合材料3D打印机及其打印方法。

背景技术

目前，市面上的FDM3D打印机的使用耗材主要是一些热塑性耗材，如：PLA、ABS、PET等，该类耗材具有打印制件工艺性能良好，但强度较低的特点；但随着3D打印技术的发展，亟需突破FDM3D打印机只能打印上述热塑料耗材的技术壁垒，以满足不同行业对打印制件的要求；尤其是在航空航天、国防军事、汽车赛车、机器人和医疗等领域，打印制件需要兼具表面效果好和强度高的性能；因此，开发高强度的纤维增强复合材料以及可以使用该材料的3D打印机成为这个行业的研发趋势；纤维增强复合材料根据纤维的长度尺寸可以分为短切纤维增强复合材料、长切纤维增强复合材料以及连续纤维增强复合材料，其中短切纤维增强复合材料和长切纤维增强复合材料的制造技术较为成熟，但其纤维对制件力学性能的提升非常有限，难以满足工业对高性能纤维复合材料的需求，因此，连续纤维增强复合材料受到了越来越多的关注。

为此，市面上出现了可以打印连续纤维增强复合材料的3D打印机，该种3D打印机有两种形式，第一种是在打印前，制备中间含有连续纤维的打印卷材，按照FDM3D打印机的形式进行打印，但这种打印卷材的制造工艺大多需要模具，工艺过程复杂，生产成本高，生产周期也较长，大大阻碍了连续纤维增强复合材料的应用；第二种是采用编织的原理，将连续纤维来回编织排布在熔融的基体材料上，该种方式的连续纤维仅可以在二维平面内进行设计，得到的制件在分层方向上的力学性能低于其他方向，呈现出各向异性，连续纤维的利用率较低；另外，这种方式制备的3D打印制件存在连续纤维与基体材料结合不好、容易分离的情形，影响3D打印制件的强度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种连续纤维增强复合材料3D打印机及其打印方法，减免了在打印前生产高强度复合耗材的复杂流程，在打印过程中实现连续纤维与基体材料的结合，提高了连续纤维与基体材料的结合度。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种连续纤维增强复合材料3D打印机，包括喷头、树脂箱、紫外光源、连续纤维盒和基体材料盒，所述树脂箱内设有上浆液，所述连续纤维盒内设有连续纤维，所述基体材料盒内设有基体材料；所述上浆液用于浸润所述连续纤维，所述紫外光源用于固化上浆液，所述喷头用于使打印材料通过。

一种连续纤维增强复合材料3D打印机的打印方法，包含如下步骤：步骤一：所述连续纤维通过上浆液进行浸润；步骤二：经过步骤一的连续纤维在紫外光源的照射下，连续纤维表面的上浆液固化，连续纤维表面发生交联反应；步骤三：经过步骤二的连续纤维与所述基体耗材进入喷头，所述基体耗材高温熔融裹覆于所述经过步骤二的连续纤维周围，形成连续纤维增强复合材料；步骤四：所述连续纤维增强复合材料从喷头挤出，根据3D打印机预设的模型数字信息进行打印成型。

作为优选，为了使制件获得更好的表面效果以及扩大用户的选材范围，所述基体材料为热塑性耗材。

作为优选，为了使所述连续纤维的表面浸润更均匀以及便于用户操作，所述浸润方式为喷淋或刷涂。

有益效果：