[发明专利]一种连续纤维增强复合材料预浸渍3D打印装置及方法

权利要求书

1.一种连续纤维增强复合材料预浸渍3D打印装置，其特征在于：包括送丝模块、螺杆挤出模块、熔融浸渍模块以及打印模块，送丝模块、螺杆挤出模块分别和熔融浸渍模块的输入端配合连接，熔融浸渍模块的输出端和打印模块的输入端配合连接；

所述的送丝模块由纤维线圈支架(23)和导向轮组成，纤维线依次经过导向轮进入熔融浸渍模块；

所述的螺杆挤出模块包括步进电机(4)，步进电机(4)与微螺杆(16)轴端连接，微螺杆(16)分为螺杆送料段、螺杆压缩段与螺杆计量段三部分，微螺杆(16)轴端通过角接触球轴承(8)固定在第一螺筒(14)上，第一螺筒(14)位于螺杆送料段外侧，第一螺筒(14)进料口固定有料斗(10)；螺杆压缩段、螺杆计量段的外侧设有第二螺筒(18)，第二螺筒(18)首端连接在第一螺筒(14)末端，第二螺筒(18)末端和熔融浸渍模块连接；螺杆压缩段的第一加热线圈(20)、第一温度传感器(19)与螺杆计量段的第二加热线圈(22)、第二温度传感器(21)分别固定在第二螺筒(18)内外壁；

所述的熔融浸渍模块包括浸渍模具(27)，浸渍模具(27)连接在第二螺筒(18)的末端，在浸渍模具(27)内部固定有上导向辊(29)、下导向辊(48)，在浸渍模具(27)的浸渍腔(45)内放置开有狭缝的浸渍辊(31)，浸渍模具(27)下端连接有喷嘴(34)；

所述的打印模块包括3D打印头(40)，3D打印头(40)上部外侧连接有加热块(38)，3D打印头(40)上部设有第四温度传感器(39)，3D打印头(40)周围固定有散热扇，3D打印头(40)下方设有固定在XY运动平台上的打印平台(42)，3D打印头(40)装在XY运动平台上。

2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料预浸渍3D打印装置，其特征在于：所述的浸渍腔(45)内开有直径大小比浸渍辊(31)的最小外圈直径略大的凹槽，用来固定浸渍辊(31)，浸渍模具(27)上开有不同直径的小孔，供加热棒(33)与第三温度传感器(32)插入。

3.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料预浸渍3D打印装置，其特征在于：所述的上导向辊(29)、下导向辊(48)位于同一竖直方向，并和浸渍辊(31)之间形成一定的夹角。

4.根据权利要求1所述的所述的一种连续纤维增强复合材料预浸渍3D打印装置的使用方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)热塑性的树脂颗粒(11)添加到料斗(10)中，在重力作用下通过第一螺筒(14)进料口进入微螺杆(16)的螺杆送料段；

步进电机(4)运行带动微螺杆(16)转动，树脂颗粒(11)随着微螺杆(16)的转动依次经过螺杆送料段、螺杆压缩段、螺杆计量段，在螺杆压缩段树脂粒料(11)不断被挤压，在第一加热线圈(20)的加热作用下，树脂粒料(11)受热开始融化，在螺杆计量段树脂则进一步加热熔融至成为完全熔融状态，同时微螺杆(16)与第一螺筒(14)、第二螺筒(18)对树脂材料又存在摩擦与剪切的物理过程，随着微螺杆(16)的不断转动，熔融态树脂逐渐进入到浸渍模具(27)中直至充满浸渍腔(45)；

2)纤维线圈支架(23)上的连续纤维依次通过导向轮实现纤维束的展开；展开后的纤维进入已充满熔融态树脂基体的浸渍腔(45)中，首先经过上导向辊(29)，接着纤维绕过开有狭缝的浸渍辊(31)以及下导向辊(48)，在浸渍腔(45)内，纤维与浸渍辊(31)之间形成上下两个楔形区域，树脂在纤维的拉伸作用下沿着与纤维相同运动方向流动；另一方面树脂从浸渍辊(31)上的狭缝中被挤出，分布在纤维与浸渍辊(31)中间，最后在一对第一滚轮(35)、第二滚轮(36)的相对运动下将纤维从喷嘴(34)出口拉出；

3)预浸好的丝束从喷嘴(34)处不断挤出后经过一个第四导向轮(37)直接穿入加有加热块(38)的3D打印喷头(40)中，通过调节微螺杆(16)的转速以及第一滚轮(35)、第二滚轮(36)的转速来控制预浸丝的挤出速度；3D打印头40装在XY运动平台上，通过生成的打印路径控制XY运动平台，从而使再次经过加热的预浸丝不断堆积到打印平台(42)上，待一层打印结束后Z轴升降台控制3D打印喷头(40)上升一个层厚的距离，继续进行下一层的打印，这样周而复始直到得到最终的复合材料试样(41)。