[发明专利]一种热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材设备及其制备方法

说明书

本发明属于增材制造领域，针对现有FDM(Fused Deposition Modeling)3D打印机耗材强度低，收缩率大，容易曲翘变形的缺点发明了一种热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材设备及其制备方法。将两个纤维丝盘轮(1)通过轧轮(2)牵引并由绞缠装置(5)的绞缠，通过挤出装置(3)将熔融热塑性聚合物完全包覆在纤维丝上，继而通过冷却系统(4)进行恒温冷却，由绞缠装置(5)进一步绞缠两根纤维丝，最后由牵引装置(6)牵出、收束，通过对牵引装置、绞缠装置、螺旋杆挤出器和轧轮的速度控制，保证复合丝材等径均匀。该发明创造了一种新型复合3D打印材料，拓展了FDM 3D打印机的应用范围。

技术领域

本发明涉及一种热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材设备及其制备方法,属于增材制造技术领域。

背景技术

3D打印,也称为增材制造,是根据所设计的3D模型,通过3D打印设备逐层增加材料来制造三维产品的技术。与传统制造技术相比,3D打印不必事先制造模具,不必在制造过程中去除大量的材料,也不必通过复杂的锻造工艺就可以得到最终产品,因此,在生产上可以实现结构优化、节约材料和节省能源。目前,3D打印技术常用于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等,也适合于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程等。3D打印这种基于材料堆积法的高新制造技术受到了国内外越来越广泛的关注,将促成一种新型的生产方式,具有广阔的发展前景。

熔融沉积3D打印机(Fused Deposition Modeling)即FDM 3D打印机，机械结构简单,制造成本和维护成本也最低,因此FDM也是当今世界上使用最广泛的3D打印技术。3D打印机打印模型由于耗材以及加工方法原因，导致了打印出的模型强度差，不能满足高强度模型的需求；在3D打印技术中,目前,应用于FDM工艺的材料基本上是聚合物。成型材料一般为ABS、PLA、PA、PC、PVA、PPSF、石蜡等。现有耗材的优点是熔点低、易成型，韧性好,缺点是强度低，收缩率大，容易曲翘变形。

连续矿物纤维材料是新一代增强纤维。纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，热膨胀系数小。它是由片状矿物微晶等矿物纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经化学处理而得到的微晶矿物材料。

热塑性连续纤维复合材料是基于以上热塑性材料和矿物纤维的特点，而发明的一种新型材料，具备良好的复合材料综合力学性能又有良好的加工成型性，适用于所有FDM技术的3D打印机。

发明内容

针对现有技术的不足,本发明旨在提供一种热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材设备及其制备方法,以更好地提升3D打印材料的综合力学性能。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是：一种热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材，其高强度性能主要在于两个制作过程处理方法，其一是将两根纤维丝绞缠在一起，通过两根纤维丝之间的相互作用，达到提高强度的作用；其二是聚合物熔融包裹在两根绞缠在一起的纤维丝上，并且起到了浸润强化作用。其高强度性能在于3D打印时通过熔融的聚合物将两根纤维丝黏合在一起，达到了一种高强度纤维丝起主体骨架作用，而聚合物起到黏合填充作用，从而达到高强度性能。

所述热塑性连续纤维复合材料3D打印耗材设备，是两卷纤维丝通过两两轧轮，将两根纤维丝初步绞缠在一起，之后两根绞缠在一起的纤维丝通过一根管道，管道开端上方有熔融聚合物挤出装置，通过挤出装置，将熔融聚合物包覆在两根纤维丝上，纤维丝和聚合物的混合丝通过一段冷却系统冷却后，形成所述新型耗材，冷却系统出口处有一个绞缠装置，进一步对两根纤维丝进行绞缠，最后由牵引装置将所得耗材缠在线卷上。

上述牵引装置、绞缠装置、挤出装置、轧轮均由控制系统，协调控制速度。