[发明专利]一种连续纤维熔融浸渍的3D打印装置及工艺

权利要求书

1.一种连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置，其特征在于：依次包括放卷辊(1)、挤出机(2)、预张紧辊(3)、红外辐射装置(4)、气辅摆动装置(5)、丝材浸润模具(9)、冷却装置(14)和3D打印机(15)，所述挤出机(2)与丝材浸润模具(9)呈直角式连接；所述丝材浸润模具(9)包括加热棒(10)、流道(11)、内牵引辊(12)和定型口模(13)，丝材浸润模具(9)内的流道(11)为波浪形流道，波浪形流道的包覆角为300°-450°，流道间隙为8～10mm，内牵引辊(12)为一对相向旋转的金属辊，由伺服电机驱动，用来牵引纤维束，以及通过挤压作用实现熔融树脂对纤维束的浸润，内牵引辊(12)对纤维束的牵引速度与打印机(15)送丝机构的送丝速度相同，定型口模(13)固定在丝材浸润模具(9)的末端，定型口模(13)的直径D为0.7-1.2mm，长度为15～20D；所述3D打印机(15)包括发散型喷嘴(16)；所述的气辅摆动装置(5)包括摆动装置(6)和气辅装置(17)，气辅装置(17)位于纤维束正下方，展纱方式为吸气，气流方向垂直于纤维束表面向下，气辅摆动装置(5)的凸轮(18)摆动频率为10-20r/min，偏心幅值为10-15mm；气辅装置(17)位于纤维束正下方，由电机驱动，气流速度为2-8m/min，气流方向垂直于纤维束表面向下，从纤维单丝之间穿过，纤维束通过导向辊(7)和限位辊(8)进行导向和限位，限位辊(8)的位置可以上下调节；所述发散型喷嘴(16)的发散角α为30-60°，发散段长度为1-1.5倍喷嘴流道直径，喷嘴出口处进行倒圆角处理，喷嘴边缘宽度d为2～4mm。

2.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置，其特征在于：其中摆动装置(6)包括凸轮(18)、驱动轴(19)、步进电机(20)和联轴器(21)，凸轮(18)为不锈钢材质，表面进行电镀，凸轮(18)与驱动轴(19)通过键连接，步进电机(20)的输出轴通过联轴器(21)与驱动轴(19)相连，带动凸轮(18)转动，使纤维束沿着垂直纤维拖曳方向和平行纤维拖曳方向进行扰动。

3.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置，其特征在于：所述的挤出机(2)为单螺杆挤出机，螺杆直径为20mm，长径比为25-30，螺杆转速为0-30r/min。

4.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置，其特征在于：所述的挤出机(2)为双螺杆挤出机，螺杆直径为20mm，长径比为40-50，螺杆转速为0-150r/min。

5.根据权利要求1-4之一所述的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置，其特征在于，所述连续纤维为玻璃纤维或碳纤维，所述热塑性树脂为聚乳酸、尼龙、聚苯硫醚或聚醚醚酮。

6.一种采用权利要求1-5任一项所述的连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置的3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：

a，连续纤维束经放卷辊(1)放卷后，先经过预张紧辊(3)进行预分散，然后通过红外辐射装置(4)对连续纤维束的上下表面进行预热，预热温度为100-200℃；

b，使预热好的连续纤维经过气辅摆动装置(5)，其中摆动装置(6)通过凸轮的偏心旋转，使连续纤维沿着垂直纤维拖曳方向和平行纤维拖曳方向进行扰动，位于纤维束正下方的气辅装置(17)向连续纤维提供气流，气流方向垂直于纤维束表面向下，在初始纤维的作用下，两侧的气流速度大于中间被纤维阻挡的气流，从而使得两侧的压强较低，在空气压强的作用下，纤维束开始向两侧进行逐步展开，使纤维束分丝，纤维束最终展开宽度为15-25mm、厚度为0.03-0.06mm；

c，挤出机(2)将热塑性树脂熔融塑化后向丝材浸润模具(9)供料，将展开后的纤维束引入到丝材浸润模具(9)内，在波浪形流道的作用下完成树脂基体对纤维束的浸润过程，浸润后的纤维经内牵引辊(12)向前输送，经过圆形的定型口模(13)成型，并经冷却装置(14)冷却定型，定型的丝材为可用于3D打印的连续纤维预浸丝，直径为0.7-1.2mm；

d，将制得的连续纤维预浸丝冷却后经3D打印机(15)的送丝机构输送到打印机的发散型喷嘴(16)内，进行3D打印成型，最终制得连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印制品。