CN106739006A - 一种热固性纤维复合材料3d打印机及其打印方法 - Google Patents

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陈浩森
陈明继
裴永茂
方岱宁
张雪姣
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Chen Haosen
Chen Mingji
Fang Daining
Hao Wenfeng
Pei Yongmao
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    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
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    • B29C70/28—Shaping operations therefor
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    • B29C70/38—Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
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Abstract

本发明公开了一种热固性纤维复合材料3D打印机及其打印方法。本发明将预浸料缠绕在打印材料滚轮上，经过热固性树脂池，包裹上树脂后形成复合打印材料，经过传动轮，控制复合打印材料的进给速度，经过导管连接至打印头，导管保护复合打印材料不受外界环境污染，保持复合打印材料的纯度；打印完毕后，被打印件在温控箱内固化成型，形成热固性复合材料3D打印制品，温控箱连接真空泵，对温控箱抽真空，防止气泡产生；高温定型后形成的热固性复合材料3D打印制品，具有不变形的优点；本发明的方法制备复合材料较传统方法更加高效和经济实用；通过本发明的方法制备的复合材料较热塑性复合材料力学性能更加优异，能够应用于航空航天和汽车等领域。

Description

一种热固性纤维复合材料3D打印机及其打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术，具体涉及一种热固性纤维复合材料3D打印机及其打印方法。
背景技术
3D打印技术是采用自动控制的喷头根据数字模型进行三维制品叠加成形的快速制造技术，又称增材制造技术。3D打印技术具有自动化程度高和快速成型等特点，使其在各个领域得到了广泛的应用，例如3D打印纤维复合材料汽车、火箭、游艇等。然而，现有3D打印机只能打印热塑性树脂纤维复合材料，由于热塑性树脂与纤维界面粘结力弱，其成型的复合材料力学性能较差，3D打印热塑性纤维复合材料无法用于承载结构。因此，有必要发展一种新型热固性纤维复合材料3D打印机，提出新的热固性纤维复合材料3D打印成型方法，以提高3D打印纤维复合材料力学性能，使其能够用于航空航天、汽车等领域。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种热固性纤维复合材料3D打印机及其打印方法，通过新型热固性纤维复合材料3D打印机制备热固性纤维复合材料，提高3D打印纤维复合材料力学性能，减低热固性纤维复合材料制备成本，提高制备效率，使3D打印纤维复合材料能应用于航空航天、汽车工业等领域。
本发明的一个目的在于提出一种热固性纤维复合材料3D打印机。
本发明的热固性纤维复合材料3D打印机包括：热固性树脂池、传动轮、导管、打印头、导轨、滑轨、温控箱、工作台、真空泵、位移控制电机和计算机；其中，工作台放置在温控箱内；温控箱连接至真空泵；工作台连接至位移控制电机，工作台能够绕着中心轴旋转，也能够沿着中心轴上下移动；导轨位于工作台的上方，导轨与工作台所在的平面平行；导轨的两端分别设置在一对滑轨上，能够沿着滑轨的方向前后移动；滑轨的方向与导轨的方向垂直，并且滑轨和导轨所在的平面与工作台所在的平面平行；打印头设置在导轨上，能够沿着导轨的方向前后移动；导管的一端连接传动轮，另一端连接至打印头；传动轮、导轨、打印头和位移控制电机分别连接至计算机；树脂盛放在热固性树脂池内；预浸料经过热固性树脂池，包裹上树脂后形成复合打印材料；复合打印材料经过传动轮，计算机通过传动轮控制复合打印材料的进给速度，经导管连接至打印头；计算机按照打印路径控制打印头的位置，复合打印材料从打印头挤出，在工作台上形成被打印件；打印完毕后，设定温控箱的固化温度和时间，并抽真空，被打印件在温控箱内固化成型，形成3D打印制品。
预浸料采用纤维束或纤维毡。
温控箱采用电加热式、感应加热式、化学反应加热式和明火加热式中的一种。
进一步，本发明还包括外框架，温控箱放置在外框架内，滑轨设置在外框架的顶部。
预浸料缠绕在打印材料滚轮上，经过热固性树脂池，包裹上树脂后形成复合打印材料，经过传动轮，控制复合打印材料的进给速度，经过导管连接至打印头，导管保护复合打印材料不受外界环境污染，保持复合打印材料的纯度；打印完毕后，被打印件在温控箱内固化成型，形成热固性复合材料3D打印制品，温控箱连接真空泵，对温控箱抽真空，防止气泡产生；高温定型后形成的热固性复合材料3D打印制品，具有不变形的优点，相比与热塑性复合材料的性能更好。
本发明的另一个目的在于提供一种热固性纤维复合材料3D打印机的打印方法。
本发明的热固性纤维复合材料3D打印机的打印方法，包括以下步骤：
1)将导轨、打印头和位移控制电机分别连接至计算机；
2)将预浸料经过热固性树脂池，包裹上树脂后形成复合打印材料，经过传动轮；
3)将复合打印材料经导管连接至打印头；
4)计算机设置被打印件的模型，以及打印头的打印路径和打印参数，打印参数包括铺层角、纤维含量和材料类型；
5)计算机控制打印头按照步骤4)设置的打印路径开始打印，将复合打印材料从打印头中挤出，通过计算机控制导轨和打印头在导轨上的位置，从而控制打印头的水平位置，通过计算机控制位移控制电机，带动工作台绕中心轴水平旋转，计算机通过传动轮控制复合打印材料的进给速度，进行打印；
6)打印完一层后，计算机控制位移控制电机，带动工作台沿中心轴下降一层厚度，继续进行下一层的打印，直至打印完成，形成被打印件；
7)设定温控箱的固化温度及时间，并通过真空泵对高温炉抽真空；
8)固化成型达到要求后降温取出，形成3D打印制品。
本发明的优点：
本发明能够实现热固性纤维复合材料3D打印成型，能够通过3D打印软件实现任意形状、任意热固性树脂基复合材料制品3D打印成型，同时能够对制备复合材料的铺层角、纤维含量和材料类型进行精确控制；本发明的方法制备复合材料较传统方法更加高效和经济实用；通过本发明的方法制备的复合材料较热塑性复合材料力学性能更加优异，能够应用于航空航天和汽车等领域。
附图说明
图1为本发明的热固性纤维复合材料3D打印机的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的热固性纤维复合材料3D打印机包括：外框架1、热固性树脂池2、传动轮3、导管4、打印头5、导轨6、滑轨7、温控箱8、工作台9、真空泵、位移控制电机和计算机；其中，工作台9放置在温控箱8内；温控箱8连接至真空泵；工作台9连接至位移控制电机，工作台9能够绕着中心轴旋转，也能够沿着中心轴上下移动；导轨6位于工作台9的上方，导轨与工作台所在的平面平行；导轨的两端分别设置在一对滑轨7上，能够沿着滑轨的方向前后移动；滑轨的方向与导轨的方向垂直，并且滑轨和导轨所在的平面与工作台所在的平面平行；打印头5设置在导轨上，能够沿着导轨的方向前后移动；导管4的一端连接传动轮，另一端连接至打印头；传动轮3、导轨6、打印头5和位移控制电机分别连接至计算机；树脂盛放在热固性树脂池中。温控箱8放置在外框架1内，滑轨7设置在外框架1的顶部。在本实施例中，预浸料采用纤维束，缠绕在纤维卷10上。
本发明的热固性纤维复合材料3D打印机的打印方法，包括以下步骤：
1)将导轨、打印头和位移控制电机分别连接至计算机；
2)将纤维卷中的纤维经过热固性树脂池，包裹上树脂后形成复合打印材料，连接至传动轮；
3)将复合打印材料经导管连接至打印头；
4)计算机设置被打印件的模型，以及打印头的打印路径和打印参数，打印参数包括铺层角、纤维含量和材料类型；
5)计算机控制打印头按照步骤4)设置的打印路径开始打印，将复合打印材料从打印头中挤出，通过计算机控制导轨和打印头在导轨上的位置，从而控制打印头的水平位置，通过计算机控制位移控制电机，带动工作台绕中心轴水平旋转，计算机通过传动轮控制复合打印材料的进给速度，进行打印；
6)打印完一层后，计算机控制位移控制电机，带动工作台沿中心轴下降一层厚度，继续进行下一层的打印，直至打印完成，形成被打印件；
7)设定温控箱的固化温度及时间，并通过真空泵对高温炉抽真空；
8)固化成型达到要求后降温取出，形成3D打印制品。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种热固性纤维复合材料3D打印机，其特征在于，所述3D打印机包括：热固性树脂池、传动轮、导管、打印头、导轨、滑轨、温控箱、工作台、真空泵、位移控制电机和计算机；其中，所述工作台放置在温控箱内；所述温控箱连接至真空泵；所述工作台连接至位移控制电机，工作台能够绕着中心轴旋转，也能够沿着中心轴上下移动；所述导轨位于工作台的上方，导轨与工作台所在的平面平行；导轨的两端分别设置在一对滑轨上，能够沿着滑轨的方向前后移动；滑轨的方向与导轨的方向垂直，并且滑轨和导轨所在的平面与工作台所在的平面平行；所述打印头设置在导轨上，能够沿着导轨的方向前后移动；导管的一端连接传动轮，另一端连接至打印头；所述传动轮、导轨、打印头和位移控制电机分别连接至计算机；树脂盛放在热固性树脂池内；预浸料经过热固性树脂池，包裹上树脂后形成复合打印材料；复合打印材料经过传动轮，计算机通过传动轮控制复合打印材料的进给速度，经导管连接至打印头；所述计算机按照打印路径控制打印头的位置，复合打印材料从打印头挤出，在工作台上形成被打印件；打印完毕后，设定温控箱的固化温度和时间，并抽真空，被打印件在温控箱内固化成型，形成3D打印制品。
2.如权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，进一步还包括外框架，所述温控箱放置在外框架内，滑轨设置在外框架的顶部。
3.如权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述预浸料采用纤维束或纤维毡。
4.如权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述温控箱采用电加热式、感应加热式、化学反应加热式和明火加热式中的一种。
5.一种热固性纤维复合材料3D打印机的打印方法，其特征在于，所述打印方法包括以下步骤：
1)将导轨、打印头和位移控制电机分别连接至计算机；
2)将预浸料经过热固性树脂池，包裹上树脂后形成复合打印材料，经过传动轮；
3)将复合打印材料经导管连接至打印头；
4)计算机设置被打印件的模型，以及打印头的打印路径和打印参数；
5)计算机控制打印头按照步骤4)设置的打印路径开始打印，将复合打印材料从打印头中挤出，通过计算机控制导轨和打印头在导轨上的位置，从而控制打印头的水平位置，通过计算机控制位移控制电机，带动工作台绕中心轴水平旋转，计算机通过传动轮控制复合打印材料的进给速度，进行打印；
6)打印完一层后，计算机控制位移控制电机，带动工作台沿中心轴下降一层厚度，继续进行下一层的打印，直至打印完成，形成被打印件；
7)设定温控箱的固化温度及时间，并通过真空泵对高温炉抽真空；
8)固化成型达到要求后降温取出，形成3D打印制品。
6.如权利要求5所述的打印方法，其特征在于，在步骤4)中，打印参数包括铺层角、纤维含量和材料类型。
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