[发明专利]一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3D打印机

说明书

一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3D打印机，包括腔体保温壳体，腔体保温壳体内部连接有升降打印平台，腔体保温壳体内部设有腔体加热单元；腔体保温壳体顶部连接有水平运动机构，水平运动机构上安装有保温板、打印头，保温板与腔体保温壳体的顶部开口配合，使腔体保温壳体组成一个封闭的腔体空间；打印头伸入腔体保温壳体内部；水平运动机构上安装有挤出送丝机构，挤出送丝机构和打印头连接，挤出送丝机构将热塑性树脂丝材和连续纤维送入打印头；本发明通过整机的结构布局来创造低耗费成本的高温恒温打印环境，减小连续纤维增强热塑性复合材料打印过程中的收缩和翘曲，改善层间性能，提高连续纤维增强热塑性复合材料3D打印的成形质量。

技术领域

本发明及3D打印技术领域，具体涉及一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3D打印机。

背景技术

连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)是以连续纤维作为增强材料，以热塑性树脂为基体，通过将热塑性树脂熔融浸渍的工艺制造的高强度、高刚性、高韧性的复合材料。连续纤维增强热塑性复合材料由于其轻质、高刚度、高韧性等特性，在汽车工业，航空航天，军工，电子等诸多领域已经广泛的应用。

近年来发展迅速的3D打印技术，是一种先进的零件成形工艺，具有一体成型、不受模型复杂度限制的特点，可制造具有复杂结构形状的零部件而无需任何模具。由于热塑性复合材料可在熔融状态下可成为无定形状的制品，并可再加热熔融而制成另一种形状的制品，还可重复多次再生使用而其物理机械性能不发生显著的变化，人们将连续纤维增强热塑性复合材料与3D打印技术相结合开发出了连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术。相比纯树脂和短切纤维增强3D打印制件，连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术引入了连续纤维作为增强相，可明显提高打印制件的力学性能。然而，由于3D打印技术是通过多层材料的堆叠来实现成形的，打印过程中往往存在着翘曲和分层的问题，连续纤维的引入虽然提高了制件沿纤维方向的力学性能，但同时也在一定程度上削弱了层间性能，加剧了3D打印制件力学性能的各向异性，限制了连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术在航空航天和国防等关键领域的应用。

迄今为止，大多数改善3D打印制件翘曲和分层的方式都只是针对于低熔点的热塑性树脂材料，如聚乳酸、聚丙烯、聚碳酸酯、尼龙6和尼龙12等，通常采用打印平台预热和封闭打印腔体就能取得十分明显的改善效果。而针对耐高温的高性能热塑性树脂材料的3D打印改善难度较大，如聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯硫醚及其他高性能半结晶聚合物，它们大多数的特点是结晶熔融温度远高于玻璃化转变温度，即使在玻璃化转变温度以上，仍能保持大部分力学性能，使用温度的上限比玻璃化转变温度高出很多。这类高熔点半结晶热塑性树脂材料，在打印过程中更容易产生收缩和翘曲，并且由于刚从喷嘴挤出的熔融态材料和上一层已固化成形的材料温差过大，二者不能实现良好熔融结合，导致层间结合性能比较差。

目前，针对高熔点半结晶热塑性树脂材料的3D打印，大多采用腔体预热的方式来减小打印环境与挤出材料之间的温度差，但是由于3D打印设备的运动机构不能长时间在封闭的高温环境下工作，因此目前的腔体预热所能达到的环境温度并不高，运动机构的使用性能和封闭的高温腔体环境成了一对矛盾点，人们往往需要耗费很高的代价去协调这一矛盾，如采用耐高温的电机和传动部件，使得设备的成本大幅上升。并且上述改善措施只是针对高熔点半结晶热塑性树脂纯材料的3D打印，而对于连续纤维增强的热塑性复合材料，其翘曲和分层的问题更为突出，迄今为止还没有良好的解决方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种连续纤维增强热塑性复合材料高温3D打印机，通过整机的结构布局设计来创造低耗费成本的高温恒温打印环境，以此来减小连续纤维增强热塑性复合材料打印过程中的收缩和翘曲，改善层间性能，提高连续纤维增强热塑性复合材料3D打印的成形质量。

为了达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：