[发明专利]一种自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头

说明书

本发明属于3D打印技术领域，其公开了一种自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头，包括挤出头本体；所述的挤出头本体内依次设有导料通道、软化通道、熔融通道；还包括用于输送基体材料至导料通道的送料机构，所述的软化通道的最小直径与基体材料的直径相适应，所述的熔融通道为用于使流体绕熔融通道的轴心螺旋前行的通道。该挤出头能够使纤维丝进入到基体材料的中心。

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体为一种自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头。

背景技术

连续纤维复合材料具有高模量、高强度、高韧性、热稳定性好、可设计性强等优异特性，在航空航天、国防军工以及民用工业等领域有着重要的应用前景。传统的连续纤维复合材料成型工艺有热压成型、RTM成型、缠绕成型、拉挤成型、层压成型等，对推动连续纤维复合材料的发展应用起到了十分重要的作用，但一直以来都存在一些缺点无法克服，例如大部分成型工艺需要专用的模具，成型过程复杂且加工成本高，很难实现复杂结构件的快速制造，大大限制了连续纤维复合材料的应用范围。近年来3D打印技术的快速发展使复杂纤维复合材料制品快速生产成为可能，3D打印技术所具有的操作简单、速度快、精度高等优点给连续纤维复合材料应用注入了新的活力。

连续纤维复合材料3D打印技术采用复合材料逐层堆叠的方法制造实体零件，其工作原理是将物理实体的计算机三维模型离散成一系列的二维层片，利用精密喷嘴或激光热源，根据层片信息，在数字化控制驱动下，将熔覆的复合材料通过连续的物理层叠加固化，逐层增加材料来生成三维实体产品。相比传统的连续纤维复合材料成型工艺，3D打印工艺过程简单，加工成本低，材料利用率高，降低了复合材料构件的制造成本，同时可实现复杂构件的一体化成形，为连续纤维复合材料构件的低成本快速制造提供了一个有效技术途径。

然而，目前针对连续纤维增强复合材料3D打印工艺的研究还处于起步阶段，仍然存在以下缺点：

一、挤出成型过程纤维丝与热塑性基体材料的浸润性不够，导致固化后基体材料与纤维丝的融合度不足，使得最终成型构件的力学性能仍达不到传统工艺水平。

二、无法确保复合材料挤出成型过程中纤维丝始终处于熔融基材流体中心，影响纤维丝走线路径的精准可控性，同时使得堆叠成型后层间强度差，构件性能不能完全满足实际使用需求。

三、现有连续纤维复合材料3D打印成型过程中，对连续纤维的剪切大多依靠外部剪切装置来实现，通过控制剪切装置的运动实现打印过程中跳转及打印完成时连续纤维的剪断，不仅运动结构庞大，而且需要配合复杂的运动控制算法，极大限制了连续纤维复合材料3D打印的成型速度。

CN201610683124.3公开了一种连续纤维增强热塑性树脂基复合材料3D打印方法及打印头，该打印头熔融腔与挤出头内侧设有螺旋齿环，两者按相反方向旋转，纤维束与热塑性树脂在熔融腔融化共混后受到双向旋转的螺旋齿环搅拌，使得纤维由展平状密实地缠绕成螺旋柱状，且树脂沿各纤维取向上均匀分布。该方法增强了纤维丝的密实度和浸润性，但是整体结构过于复杂、难以实现，且无法使纤维进入到基体材料的中心，打印过程中跳转或者打印完成后也无法实现对纤维丝的自动剪切。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头，该挤出头能够使纤维丝进入到基体材料的中心。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头，包括挤出头本体；所述的挤出头本体内依次设有导料通道、软化通道、熔融通道；还包括用于输送基体材料至导料通道的送料机构，所述的软化通道的最小直径与基体材料的直径相适应，所述的熔融通道为用于使流体绕熔融通道的轴心螺旋前行的通道。

需要说明的是：

一、软化通道的作用是用于使基体材料软化；该通道可以具有加热源，也可以利用熔融区的余热对基体材料进行软化，对此本发明并不做过多限制；