[发明专利]连续纤维嵌入材料的一体化打印装置及打印方法

说明书

本发明涉及一种连续纤维嵌入材料的一体化打印装置及打印方法，属于功能材料3D打印技术领域。预制带孔的聚合物圆柱体成丝棒，并将连续纤维穿过成丝棒的孔，成丝棒夹紧在成丝筒中，推进杆将成丝棒向下推送，成丝棒经过加热区，熔融的聚合物向下流动包裹在连续纤维表面，最终从成丝筒底部出来成型丝材，成型丝材经过测量剪切机构，直径不符合要求时剪断，直径符合要求直接进入进给机构，进给机构将成型丝材不断向下进给，送入打印头部件实现打印。优点在于：纤维与聚合物之间粘合性好，不会产生连续纤维的局部堆积，可按需打印不同直径的成型丝材，实现了连续纤维嵌入式高熔点聚合物的打印。

技术领域

本发明涉及功能材料3D打印技术领域，特别涉及一种连续纤维嵌入材料的一体化打印装置及打印方法，是一种同时适用于高熔点材料的、连续纤维嵌入式的一体化打印方法和装置，解决了连续纤维分布问题和不同材料之间粘合的问题，为非工业环境提供了方案。

背景技术

熔融沉积是最常用的增材制造技术，对于高熔点、高性能聚合物来说，熔融沉积也是目前唯一的增材制造方法。

连续纤维嵌入式功能材料具有优良的机械性能（如模量、强度）、潜在的回收再利用特点和更轻质的结构，使得其有广泛的应用前景，正在逐渐替代普通热固性材料和钢制材料。另一方面，嵌入的连续纤维通电后，经过电热转换还可以实现聚合物的形状记忆变形，使设计部件具有功能性和多样性。越来越多的研究人员开始研究连续纤维的3D打印方法，如改进为双头喷嘴、采用螺杆挤出方式、热熔树脂预浸等，但连续纤维在聚合物内分布不均匀，纤维不能与聚合物良好的粘合，容易产生连续纤维局部堆积等问题，造成产品机械性能下降、功能性降低、使用范围受限。且以流动的聚合物熔融体为原料直接打印的方法，目前要求聚合物熔点较低，否则较大的温差会使聚合物快速凝固，无法实现打印，不适用于高熔点聚合物。

因此，急需一种既能使连续纤维在聚合物内分布均匀、与聚合物有效粘合，又能适用于高熔点材料的连续纤维嵌入式的一体化打印方法和装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续纤维嵌入材料的一体化打印装置及打印方法，解决了现有技术存在的连续纤维在聚合物内分布不均匀、不能与聚合物很好的粘合，以及连续纤维局部堆积、不适用于高熔点聚合物打印等问题。本发明预制带孔的聚合物圆柱体成丝棒，并将连续纤维穿过成丝棒的孔，成丝棒由压块夹紧在成丝筒中心，位于成丝机构上端的推进杆不断将成丝棒向下推送，成丝棒经过加热区，熔融的聚合物向下流动包裹在连续纤维表面，最终从成丝筒底部出来成型丝材，成型丝材经过测量剪切机构，当所测量的成型丝材直径不符合要求时，按下点动刃，将成型丝材剪断，当成型丝材直径符合要求时，直接进入下方的进给机构，成型丝材被夹紧在主动进丝轮和从动进丝轮之间，主动进丝轮不断转动将成型丝材向下进给，送入打印头部件，最终实现内嵌连续纤维聚合物的打印。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

连续纤维嵌入材料的一体化打印装置，包括推动机构1、成丝机构2、测量剪切机构3、进给机构4、打印头部件5、连接架6及控制器7，所述推动机构1位于成丝机构2上方，成丝机构2固定在连接架6上；测量剪切机构3位于成丝机构2下方并与连接架6固定连接，进给机构4位于测量剪切机构3下方并固定在连接架6的下部，打印头部件5位于进给机构4下方，控制器7分别与推动机构1、测量剪切机构3、进给机构4、打印头部件5相连，并能控制其动作和温度。

所述的成丝机构2是：三个弹簧22圆周方向均匀分布在成丝筒21内表面，弹簧22轴线指向成丝筒21轴线，且与成丝筒21轴线相互垂直，通过定位突起211固定在成丝筒21内表面；三个压块23与弹簧22分布相同，压块23的一面与弹簧22相接，通过弹簧22与成丝筒21连接，另一面与成丝棒101相接，可以实现夹紧和定心；成丝筒21的内侧设有一级加热区24、二级加热区25、三级加热区26。