[发明专利]可同步改性浸渍的连续碳纤维复合材料3D打印装置及方法

说明书

本发明提供了一种可同步改性浸渍的连续碳纤维复合材料3D打印装置及方法，纤维导管部分浸入同步改性容器的溶液中且浸入部分设有供溶液流通的缺口，所述纤维导管和树脂导管分别连接打印头的两个进口，打印头的出口连接加热块，加热块的底部设置喷嘴。本发明实现了纤维同步改性浸渍的复合材料3D打印，通过对机械结构的设计，随着被改性过的连续纤维随着树脂进入加热块中被打印，未被改性的纤维将被送入改性溶液中被浸润改性使得被打印的碳纤维总是被改性的，有效地实现了纤维改性与打印的同步进行；碳纤维经过这种改性溶液浸润后，内部原本易分散的纤维丝将因为而更加紧密的结合，并且表面将裹覆一层树脂层，提高碳纤维与熔融状态的树脂结合效果，使连续碳纤维材料在打印过程中不易断裂。

技术领域

本发明涉及一种碳纤维，具体涉及一种碳复合纤维的3D打印装置及方法。

背景技术

纤维增强复合材料由于其性能上有着其他材料难以比拟的优点（比如质量轻、强度大、尺寸稳定性和设计性好），现已成为现代工业，尤其是航空航天、汽车赛车的重要结构用材。

将复合材料零部件用在飞机和汽车上可大幅降低结构重量，对降低运营成本，提高燃油效率和安全性具有重要意义。传统复合材料工艺存在自动化程度低，成型周期长等缺点，生产力受到工业化生产率低和人工成本的压制而导致产量有限。

近年来，三维（Three dimension，3D）打印技术的出现为制造业开辟了一个全新的思路。3D打印技术是指打印头在软件控制下，按照设计3D模型的截面进行填充，然后再通过层层累加快速制造出所需零件。不同于传统制造业的减材制造和等材制造，它通过添加材料的方式（增材制造）可以快速地成型复杂形状产品并且实现最大限度的利用原材料，避免了传统制造周期长，成本高的缺点。研究3D打印技术在复合材料产品制造的适用性，对于促进复合材料产品的低成本和快速制造具有重要的工程意义。

利用FDM（熔融沉积成型）工艺制造复合材料的方法是先将树脂送入加热块空腔融化，再将连续纤维丝送入空腔被熔融树脂浸渍，最后按设计轨迹从喷嘴挤出在平台上形成一层层的材料，层与层之间通过树脂部分或完全熔化形成连接。由于连续碳纤维本身较为柔软，在打印过程中由于被挤压等原因，容易造成断裂、散丝，不仅会严重地影响打印质量，甚至散落下来的纤维会堵住打印头以至于无法打印。

连续碳纤维与PLA树脂的结合是复合材料3D打印需要解决的问题。由于连续碳纤维与熔融状态的PLA树脂无法良好地融合在一起，导致在打印过程中出现树脂无法与纤维一起从喷嘴喷出、打印出的模型纤维与树脂不完全结合等状况。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的问题，提出了一种可同步改性浸渍的连续碳纤维复合材料3D打印装置及方法，在打印过程中，让连续碳纤维先通过改性溶液，使得连续碳纤维的表面特性得到改善，不易断裂并且可以与熔融液态树脂更好地结合，减少表面毛刺，改善翘边情况，最终使打印效果得到显著的提高。

技术方案：本发明提供了一种可同步改性浸渍的连续碳纤维复合材料3D打印装置，包括同步改性容器、打印头、纤维导管、树脂导管、推送树脂导管中树脂的步进电机、加热块和喷嘴；所述纤维导管部分浸入同步改性容器的溶液中且浸入部分设有供溶液流通的缺口，所述纤维导管和树脂导管分别连接打印头的两个进口，打印头的出口连接加热块，加热块的底部设置喷嘴。

进一步，所述纤维导管上的缺口长8~10mm，宽2~3mm。

进一步，所述打印头包括打印头本体以及由上至下贯穿的两个进丝孔道，所述进丝孔道的顶端为入口，两个进丝孔道的底端汇聚至喉管作为出口连通加热块，进丝孔道上部伸出本体并与远程气动快速插头连接，打印头的侧壁设有若干层片状凸起的散热片。

进一步，所述两个进丝孔道在打印头本体中呈V型，保证树脂丝输送的顺畅。

进一步，所述打印头连接树脂导管一端的入口与电机挤出丝的端口垂直，保证丝材的传递通道不产生拐弯。