[发明专利]一种连续纤维熔融浸渍的3D打印装置及工艺

说明书

一种连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置及方法，以热塑性树脂为基体，以连续玻璃纤维或碳纤维为增强体。3D打印装置包括挤出机、放卷辊、预张紧辊、红外辐射装置、气辅摆动装置、丝材浸润模具、冷却装置和3D打印机。连续纤维束先经过预张紧辊进行预分散，红外辐射装置对连续纤维的上下表面进行预热，预热好的的连续纤维在气辅摆动装置作用下展开一定的宽度，随后进入到丝材浸润模具内，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，经内牵引辊的牵引向前输送，经过圆形的定型口模后，成型为可用于3D打印的连续纤维预浸丝，经冷却、送丝、打印，最终制得连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印制品。该发明可实现连续纤维在树脂基体内的均匀分散和充分浸渍，制得具有良好界面结合、性能优异的3D打印连续纤维增强热塑性复合材料制品，同时可实现连续纤维耗材、3D打印复合材料制品的实时一体化成型。

技术领域

本发明属于复合材料制造领域，尤其涉及一种连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置，以及采用该装置的3D打印方法。

背景技术

传统的单一材料成型的零件往往力学性能较差，难以满足各行业对高性能材料的需求。近年来，研究人员将3D打印技术与纤维增强热塑性复合材料结合起来，以达到提高打印件力学性能的目的，而短纤维是一种常用的增强材料，因为短纤维增强热塑性复合材料具有相对简单且成熟的制造工艺。尽管用短纤维增强热塑性复合材料打印的零部件能提高其力学性能，但这些性能仅略好于纯塑料，由于短纤维的存在，可以检测到明显的孔隙率和粘结不良现象，这也限制了复合材料机械性能的提升空间。采用连续纤维增强进行3D打印可以显著提高热塑性复合材料的性能。

目前，利用连续纤维增强热塑性树脂进行3D打印采用的主要方式是直接将连续纤维束引入到打印机的喷嘴中，连续纤维束和3D打印丝材同时通过打印机的喷嘴进行打印，该技术的主要缺陷是连续纤维与热塑性树脂基体的界面结合比较差，纤维束没有经过充分浸渍，这主要是由于3D打印机喷嘴内流道较小短，物料在喷嘴内的停留时间较短，另外缺少足够的成型压力，导致树脂基体对纤维束的浸渍效果比较差。这将不能充分发挥连续纤维对复合材料制品的增强作用。也有将纤维浸渍和打印分开进行的工艺方式，纤维与树脂的浸润性虽然有所改善，但通过预浸槽对固体树脂进行加热效率太低，熔融时间太长，且预浸槽内腔空间太多，容易使熔融树脂在槽内长时间停留而氧化降解，影响复合材料制品的性能。另外，由于没有施压装置，槽内浸渍压力比较低，不利于树脂基体对纤维进行浸渍，不能充分发挥连续纤维对复合材料的增强作用，成型工艺有待进一步提高。此外，3D打印连续纤维增强热塑性复合材料制品的表面质量一般比较差，尤其是上表面，这主要和喷嘴出料口与制品的接触面积较小、挤压力不够以及打印过程中的喷嘴内的滞料现象有关，需对喷嘴结构进行优化来提高复合材料制品的表面质量。

发明内容

克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置及工艺，实现一步法成型，纤维与树脂基体界面结合良好，纤维充分分散，打印出的复合材料制品具有优异的力学性能，并显著提高3D打印复合材料制品的表面质量。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍3D打印装置，包括放卷辊、挤出机、预张紧辊、红外辐射装置、气辅摆动装置、丝材浸润模具、冷却装置和3D打印机，所述挤出机与丝材浸润模具呈直角式连接；所述丝材浸润模具包括加热棒、流道、内牵引辊和定型口模，丝材浸润模具内的流道为波浪形流道，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，内牵引辊对纤维束的牵引速度与打印机送丝机构的送丝速度相同，定型口模固定在丝材浸润模具的末端，定型口模的直径D为0.7-1.2mm，长度为15~20D；所述3D打印机包括发散型喷嘴。