[发明专利]一种连续纤维增强树脂复合材料的3D打印头及打印方法

说明书

本发明公开了一种连续纤维增强树脂复合材料的3D打印头及打印方法，其中所述3D打印头包括：送料机构、浸胶模块、切割模块、树脂固化模块，所述送料机构包括上下对称设置的两个拉丝模块，分别为拉丝模块一、拉丝模块二，两个拉丝模块间设置有切割模块，所述拉丝模块一两侧设有浸胶模块，所述拉丝模块二下方设有树脂固化模块。采用该3D打印头可以快速制造出各种形状的连续纤维增强树脂基复合材料工件，实现复合材料的无模快速成型，其结构合理，制备的产品精度高，具有良好的推广前景。

技术领域

本发明公开涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种连续纤维增强树脂复合材料的3D打印头及打印方法。

背景技术

复合材料由纤维和树脂基体复合而成，由于纤维具有优异的力学性能赋予了复合材料高强度、高模量的特点，复合材料已在航空、航天、车辆、船舶等领域得到了广泛的应用。若将纤维优异的力学性能引入到树脂基复合材料的增材制造技术中，制备出连续纤维增强树脂基复合材料打印工件，有望进一步提高打印件的力学性能，拓展3D打印工件的应用领域。

现有的纤维增强树脂基复合材料的打印工艺，多采用短切纤维与树脂基体复合(如PLA、ABS、PLGA等)通过螺杆挤出机制备短切纤维增强树脂打印丝，后采用熔丝沉积打印工艺制备复合材料打印件，采用短切纤维增强树脂打印的工件在一定程度上提高了工件的力学性能，但是随着纤维含量、纤维长度的增加，纤维与树脂基体共混物的熔体粘度急剧上升，易造成打印机喷丝堵塞，使工件打印失败。也有文献报到了一些列利用长纤维增强PLA、尼龙、ABS等树脂的增材制造工艺，但打印过程中都没有对纤维进行切割。不切割纤维的打印工艺只适合单一轮廓的打印工件，而对于多轮廓打印工件，由于纤维没法切断，会造成轮廓之间冗余纤维的连接，使打印工件质量较差。近期有文献报到一种采用热塑性打印丝和纤维束共同送入挤出机加热头，利用热塑性树脂在高温下熔融，浸润纤维，后利用切割刀对连续纤维进行切断，实现连续纤维增强复合材料工件的打印。由于热塑性树脂熔融粘度高，对纤维的浸润能力差，导致纤维增强热塑性复合材料内纤维含量较低，界面粘接性能差，力学性能较低。此外，由于纤维束较为柔软，若直接采用纤维束进行打印，传统的送丝机构在纤维输送过程中纤维束容易发生弯折，难以将纤维输送到制定的区域。

因而，开发一种可切断纤维的简便可行的连续纤维增强复合材料打印工艺，是拓展复合材料在各工业领域应用的关键。

发明内容

鉴于此，本发明公开提供了一种连续纤维增强树脂复合材料的3D打印头及打印方法，以解决现有技术中存在的上述问题。

本发明提供提供了一种连续纤维增强树脂复合材料的3D打印头，包括：送料机构、浸胶模块、切割模块、树脂固化模块，所述送料机构包括上下对称设置的两个拉丝模块，分别为拉丝模块一、拉丝模块二，两个拉丝模块间设置有切割模块，所述拉丝模块一两侧设有浸胶模块，所述拉丝模块二下方设有树脂固化模块。

优选地，所述拉丝模块包括驱动齿轮、从动齿轮、传送带；拉丝模块一将纤维束拉进所述3D打印头，拉丝模块二将打印好的纤维束从所述3D打印头中推出，纤维束被传送带夹持而协同运动。

进一步优选，所述驱动齿轮为步进电机或伺服电机驱动，所述驱动齿轮、从动齿轮上分别设有传送带，驱动齿轮与从动齿轮的齿轮转动方向相反，带动两根传送带运动，所述两根传送带之间的间隙略小于纤维束的厚度。

优选地，所述浸胶模块包括树脂槽、沾胶辊；所述沾胶辊与传送带间相互接触，在传送带的带动下沾胶辊在树脂槽内转动。

优选地，所述切割模块包括运动机构、切割刀，所述运动机构带动切割刀对纤维素进行切割。

优选地，所述运动机构为气缸直线运动单元、推杆电机、超声波发生器及电机中的一种。

优选地，所述树脂固化模块包括模具和固化器，所述模具置于拉丝模块二下方，所述固化器为热风枪、激光器、远红外加热管、紫外灯中的一种。