CN108527840A - 加捻连续纤维熔融沉积3d打印送丝装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加捻连续纤维熔融沉积3D打印送丝装置及应用，所述的打印送丝装置，包括顶部设有主进料口的料桶和打印送丝头，打印送丝头设在料桶的底部，与动力装置相连接，打印送丝头包括：碗状的送丝头主体、设置在送丝头主体内壁的凹槽和设置在送丝头主体外壁的被动转动构件，喷丝口设置在所述的送丝头主体的端部，被动转动构件与动力装置相连接；本发明可用于纤维加捻，制备层层堆积形成的连续纤维增强复合材料的3D产品的坯型。本发明工艺简单，效率高，既适合单件或小批量生产，也适合大量打印机同时进行大批量3D打印生产，具有广阔的应用前景。

Description

加捻连续纤维熔融沉积3D打印送丝装置及应用

技术领域

本发明涉及一种加捻连续纤维熔融沉积3D打印送丝装置。

背景技术

3D打印，也称为增材制造，是根据预先设计的三维CAD的数据，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，也不必通过复杂的铸造、锻造、焊接工艺就可以得到最 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、快速原型、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。

3D打印技术有3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版 印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技 术，技术不同所用材料则完全不同。

其中，熔融沉积(Fused Deposition Modeling,FDM)成型的机械结构最简 单，设计也最容易，制造成本和维护成本也最低，因此FDM已成为当今世 界上使用最广泛的3D打印技术。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PLA、PCL、PHA、PBS、PA、ABS、PC、PS、 POM、PVC、PP等。

与短纤维、长纤维增强复合材料相比，连续纤维增强复合材料由于具 有优异的力学、物理、防腐耐磨和抗疲劳等性能，在航天航空、国防军事、 汽车赛车、机器人和医疗等领域显示出巨大的应用前景。但传统方法采用 铺放技术将连续纤维制成复合材料制品，需要预浸渍、浸渍、模塑成型、 后处理等工序，工艺过程繁杂、成本高，且不适合复杂结构零件的制造， 不能很好地满足工业化生产要求。

专利CN105172144A公开了连续纤维增强复合材料3D打印的多级送 丝打印头，包括固定于一级加热块上表面(正中心)的纤维导管，纤维导 管内孔道形成纤维通道，一级喉管固定于一级加热块两侧，一级喉管内孔 道形成一级内孔道，高分子材料从一级内孔道穿过进入一级加热块熔融腔 内；一级加热块固定于二级加热块上方，二级喉管固定于二级加热块两侧， 二级喉管内孔道形成二级内孔道，高性能热塑性材料从二级内孔道穿过进 入二级加热块熔融腔内；以此相同的结构类推，最终所有的加热块固定于 末级加热块上面，喷嘴固定于末级加热块下表面，采用多级送丝打印头， 很好地将连续纤维用基体材料进行多级包覆，得到具有良好综合性能的连 续纤维增强复合材料零件。

美中不足，由于实现多级包覆，纤维导管设计在正中心，因此每次只 能进一束连续纤维：1)如果采用不同的纤维，由于纤维的浸渍性差异，在 多种纤维复合时可能受到一定限制；2)同种纤维，当纤维用量较大时，考 虑到打印速度，浸渍效果可能要打一定折扣。

专利CN105599302A公开了一种连续纤维熔融沉积3D打印方法及应 用，将连续纤维与聚合物共挤出成3D打印丝，并导入到熔融沉积3D打 印机中，加热熔融聚合物，连续纤维随熔融的聚合物通过所述打印机的喷 嘴挤出，层层堆积形成连续纤维增强复合材料产品。此发明通过多孔打印 头解决了多种纤维复合问题，并通过单螺杆共挤出保证浸渍、混合效果。 也正是连续纤维通过单螺杆共挤出，可能带来以下两个问题：1)挤出过程 可能造成一部分连续纤维的损伤，影响机械性能；2)连续纤维加入后，聚 合物熔体粘度增大，单螺杆需要更高的温度来保证流动性，可能造成一部 分助剂、浸渍物的分解，影响制品气味；同时，连续纤维与聚合物共挤出， 并没有将3D打印的优势充分发挥。

发明内容

本发明的目的是提供一种可加捻连续纤维熔融沉积3D打印送丝装置 及应用，以克服现有技术存在的缺陷。

本发明所述的可连续加捻的用于的纤维熔融沉积3D打印送丝装置，包 括顶部设有主进料口的料桶和打印送丝头，所述的打印送丝头设置在所述 的料桶的底部，并与动力装置相连接；

所述的打印送丝头包括：碗状的打印送丝头主体、设置在送丝头主体 内壁的凹槽和设置在送丝头主体外壁的被动转动构件，喷丝口设置在所述 的送丝头主体的端部，所述的被动转动构件与动力装置相连接；

所述的加捻连续纤维熔融沉积3D打印送丝装置，可用于纤维加捻，制 备层层堆积形成的连续纤维增强复合材料的3D产品的坯型。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明将连续纤维引入到熔融沉积3D打印之中，避免了传统熔融共挤 出的高温分解，通过浸渍保证纤维和基体的相容性，通过加捻提高纤维之 间的抱合力，提高了纤维增强复合材料的强度，获得低成本、低散发、高 品质、高强度、物理化学性能优异的连续纤维熔融沉积3D打印产品，既可 以制作成航空航天、军工国防、汽车、机械等工业用的模型、零部件或产 品，也可以制作成与人们衣、食、住、行息息相关的产品，如自行车、体 育用品、日用品、服饰等，更好地满足了多功能、高参数、复杂性、定制 化的社会发展需求，可以获得比传统FDM 3D打印更高强度更高模量的功 能性的3D打印产品，本发明的生产工艺较简单、工序少、生产效率高、所 需设备少、成本低，既适合单件或小批量生产，也适合大量打印机同时进 行大批量3D打印生产，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是可连续加捻的用于的纤维熔融沉积3D打印送丝装置结构示意 图。

图2是料桶俯视结构示意图。

图3是打印送丝头结构示意图。

图4是图3中A-A向剖视图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

参见图1和图2，本发明所述的可连续加捻的用于的纤维熔融沉积3D 打印送丝装置，包括顶部设有主进料口107的料桶1和打印送丝头2，所述 的打印送丝头2设置在所述的料桶1的底部，并与动力装置3如电机相连 接；

优选的，所述的料桶1的上部为柱状体1055，下部为中空的椎体105， 所述的打印送丝头2通过旋转构件205如轴承设置在所述的椎体105端部 的喷丝口206处；

优选的，参见图2，所述的料桶1包括外壳101和竖隔板102，所述的 竖隔板102垂直设置在所述的料桶1内，两边和底边与所述的料桶1的内 壁相连接，竖隔板102与料桶1的内壁之间为浸润剂腔103，竖隔板102之 间为聚合物熔体腔106，竖隔板102的底边设有出丝孔104，浸润剂腔103 的顶部设有浸润剂入口109；

所述的出丝孔104的孔径为1-2mm；

D：H＝4～6：1；H：H1＝1:1.1～1.2；

D为外壳101的内径，H为柱状体的高度，H1为椎体的高度；

参见图3和图4，所述的打印送丝头2包括：

碗状的送丝头主体201、设置在送丝头主体201内壁的凹槽202和设置 在送丝头主体201外壁的被动转动构件203如齿轮，喷丝口204设置在所 述的送丝头主体201的端部，所述的被动转动构件203与动力装置3相连 接；所述的凹槽202的深度为3-5mm；优选的，所述的凹槽202为向心缩 小的喇叭口槽；喷丝口206的直径为1-3mm；主体201内径5-10mm；

优选的，所述的动力装置3的上端部套在所述的椎体105外，两者之 间设有密封构件204；

优选的，所述的竖隔板102的数量为2～10块，所述的凹槽202的数量为2～10 条，且竖隔板102的数量与凹槽202的数量相同；

所述的加捻连续纤维熔融沉积3D打印送丝装置，可用于纤维加捻，制 备层层堆积形成的连续纤维增强复合材料的3D产品的坯型，应用方法包括 如下步骤：

(1)将聚合物、染色剂和其他助剂熔体的混合物，通过挤出装置，如 双螺杆挤出机，挤出，通过主进料入口107送入聚合物熔体腔106；

所述的其他助剂为本领域公知的助剂，如增韧剂、抗氧剂或染色剂中 的一种以上；

(2)将浸润剂熔融挤出送入浸润腔剂103；

(3)将连续纤维分别从浸润剂腔上部的纤维入口107送入浸润剂腔， 并从下部的出丝孔104穿出后，同时，启动所述的动力装置3，打印送丝头 2水平方向旋转，对纤维加捻，聚合物熔体腔106中的聚合物熔体包裹了加 捻后的纤维，从打印送丝头2的下端部的纤维出口穿出，获得连续纤维增 强的3D打印复合线材7，并层层堆积形成连续纤维增强复合材料产品坯型；

步骤(1)中，所述的混合物的停留时间为30-100s；

步骤(3)中，所述的连续纤维的停留时间为0.6-1s；

步骤(4)中，打印送丝头2水平方向的旋转速度为5-10r/min；

各个组分的重量百分比用量为：

各个组分的百分比之和为100％；

所述的聚合物选自PLA、PCL、PHA、PBS、PA、ABS、PC、PS、POM、 PVC、PP中的一种或多种组成的“合金”，或者根据需要选用其它聚合物或 几种聚合物组成的“合金”或混合物，可采用中石化、韩国SK、陶氏杜邦、 法国Arkema等的产品；

所述连续纤维为玻璃纤维、陶瓷纤维、金属纤维、凯夫拉纤维、芳纶 纤维、尼龙纤维、聚醚纤维、聚酯纤维、碳纤维、石墨纤维、石墨烯纤维、 碳纳米管纤维、醋酸纤维、茧蚕丝中的一种或多种，或者根据实际需要， 采用其它材料制成的连续纤维，所述纤维的单丝直径为10-20μm，纤维束一 般为1200-2400tex，或者根据需要制作成其它直径大小的线材。

所用的浸润剂如PP马来酸酐接枝物；

所用的增韧剂如陶氏的乙烯-辛烯弹性体8150；

所述的抗氧剂如四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯或 亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯中的一种以上；

所述的染色剂如炭黑BP3200或二氧化钛中的一种以上；

所获得产品坯型，采用包括加热、催化、辐照交联在内的方法，将连 续纤维与辅剂或/和基体紧密结合，把坯件制成连续纤维增强复合材料制品， 然后采用本领域公知的方法，进行实体装配、连接、热处理、表面处理， 获得连续纤维熔融沉积3D打印的产品，所述的公知方法，可参考 CN201610035818公开的方法。

本发明的加捻原理如下：

通过浸渍剂浸渍后的纤维，通过出丝孔104进入打印送丝头2，被料桶 1的熔体包裹的同时，由于打印送丝头2的旋转，熔体同时旋转导致纤维相 互缠绕，被加捻，然后由于熔体的下压的压力，加捻的纤维和包裹在加捻 的纤维外的熔体从喷丝口喷出。

实施例1

采用图1～图4的装置。

设备结构参数：

出丝孔104的孔径为1mm；D：H＝4：1；H：H1＝1:1.1；

D为外壳101的内径，H为柱状体的高度，H1为椎体的高度；

凹槽202的深度为3mm，凹槽202为向心缩小的喇叭口槽；喷丝口206 的直径为3mm；主体201内径5mm；

竖隔板102的数量为4块，凹槽202的数量为4条；

工艺参数：

熔体腔温度200±20℃，浸润剂180±20℃

原料：(重量)

PP采用韩国SK的PPBX3500，增韧剂为陶氏的乙烯-辛烯弹性体8150， 浸润剂为Bondyram的PP马来酸酐接枝物，连续纤维为玻璃纤维，采用泰 山的连续纤维T838，增韧剂采用陶氏的乙烯-辛烯弹性体8150，抗氧剂为 巴斯夫公司的四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯；染色剂 为卡博特炭黑BP3200；

应用方法：

(1)将聚合物、增韧剂和染色剂熔体的混合物，通过双螺杆挤出机， 挤出送入聚合物熔体腔106，停留时间为30s

(2)将浸润剂熔融挤出送入浸润腔剂103；

(3)将连续纤维分别从浸润剂腔上部的纤维入口107送入浸润剂腔， 并从下部的出丝孔104穿出后，同时，启动所述的动力装置3，打印送丝头 2水平方向旋转，对纤维加捻，聚合物熔体腔106中的聚合物熔体包裹了加 捻后的纤维，从打印送丝头2的下端部的纤维出口108穿出，获得连续纤 维增强的3D打印复合线材7，并层层堆积形成连续纤维增强复合材料产品 坯型；其中：连续纤维的停留时间为1s，打印送丝头2水平方向的旋转速 度为5r/min；

为测试其力学性能，打印了若干测试试样；将所得试样与传统的静态 FDM方法(即同种方法打印，但加捻喷嘴不旋转)、传统双螺杆挤出造粒 方法得到的长玻纤增强改性PP试样进行力学性能的对比测试(测试结果取 平均值，下同)，详细比较结果如表1所示。

表1 3D打印产品(10％玻纤)力学性能比较

由表1可见：采用传统3D打印方法得到的试样抗拉强度低，而采用本 发明所得到的试样的抗拉强度，比传统3D打印方法提高了的12％左右，比 采用双螺杆挤出造粒的试样高21％左右；采用传统3D打印方法得到的试样 弯曲模量低，而采用本发明所得到的试样的弯曲模量，比传统3D打印方法 高14％，比采用双螺杆挤出造粒的试样高25％。

另外，由于加捻的作用，采用本发明所得到的试样的横纵向收缩率比 静态3D打印试样均衡，为连续纤维产品的翘曲问题提供了新的解决思路， 具有广阔的应用前景。

实施例2

采用图1～图4的装置。

设备结构参数：

出丝孔104的孔径为2mm；D：H＝6：1；H：H1＝1:1.2；

D为外壳101的内径，H为柱状体的高度，H1为椎体的高度；

凹槽202的深度为5mm，凹槽202为向心缩小的喇叭口槽；喷丝口206 的直径为1mm；主体201内径10mm；

竖隔板102的数量为6块，凹槽202的数量为6条；

工艺参数：

熔体腔温度200±20℃，浸润剂180±20℃

原料：(重量)

PP采用韩国SK的PPBX3500，增韧剂为陶氏的乙烯-辛烯弹性体8150， 浸润剂为Bondyram的PP马来酸酐接枝物，连续纤维为玻璃纤维，采用泰 山的连续纤维T838，抗氧剂为巴斯夫公司的亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基) 酯；染色剂为科莱恩二氧化钛；

应用方法：

(1)将聚合物、填充剂、增韧剂、增粘剂、其他助剂和染色剂熔体的 混合物，通过双螺杆挤出机，挤出送入聚合物熔体腔106，停留时间为100s

(2)将浸润剂熔融挤出送入浸润腔剂103；

(3)将连续纤维分别从浸润剂腔上部的纤维入口107送入浸润剂腔， 并从下部的出丝孔104穿出后，同时，启动所述的动力装置3，打印送丝头 2水平方向旋转，对纤维加捻，聚合物熔体腔106中的聚合物熔体包裹了加 捻后的纤维，从打印送丝头2的下端部的纤维出口108穿出，获得连续纤 维增强的3D打印复合线材7，并层层堆积形成连续纤维增强复合材料产品 坯型；其中：连续纤维的停留时间为1s，打印送丝头2水平方向的旋转速 度为10r/min；

为测试其力学性能，打印了若干测试试样；将所得试样与传统的静态 FDM方法(即同种方法打印，但加捻喷嘴不旋转)、传统双螺杆挤出造粒 方法得到的长玻纤增强改性PP试样进行力学性能的对比测试(测试结果取 平均值，下同)，详细比较结果如表2所示。

表2 3D打印产品(10％玻纤)力学性能比较

由表1可见：采用本发明3D打印方法得到的试样抗拉强度、弯曲模量 以及冲击强度，在10％玻纤的条件下，都比传统3D打印方法、挤出造粒法 更高，综合性能更好。

另外，由于加捻的作用，采用本发明所得到的试样的横纵向收缩率比 静态3D打印试样更均衡。与案例1相比，在10％玻纤含量的体系中，随着 加捻程度提高，横纵向收缩率差异有所减小，证明制品翘曲程度可以通过 改变加捻程度来改善，为连续纤维产品的翘曲问题提供了新的解决思路， 具有广阔的应用前景。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以 改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护 范围。

Claims (11)

1.加捻连续纤维熔融沉积3D打印送丝装置，其特征在于，包括顶部设有主进料口(107)的料桶(1)和打印送丝头(2)，所述的打印送丝头(2)设置在所述的料桶的底部，并与动力装置(3)相连接；

所述的打印送丝头(2)包括：碗状的送丝头主体(201)、设置在送丝头主体(201)内壁的凹槽(202)和设置在送丝头主体(201)外壁的被动转动构件(203)，所述的送丝头主体的端部设有喷丝口(204)。

2.根据权利要求1所述的加捻连续纤维熔融沉积3D打印送丝装置，其特征在于，所述的料桶的上部为柱状体(1055)，下部为中空的椎体(105)。

3.根据权利要求2所述的加捻连续纤维熔融沉积3D打印送丝装置，其特征在于，所述的打印送丝头通过旋转构件(205)设置在所述的椎体(105)端部的喷丝口(206)处。

4.根据权利要求3所述的加捻连续纤维熔融沉积3D打印送丝装置，其特征在于，所述的料桶包括外壳(101)和竖隔板(102)，所述的竖隔板(102)垂直设置在所述的料桶(1)内，两边和底边与所述的料桶的内壁相连接，竖隔板与料桶的内壁之间为浸润剂腔(103)，竖隔板(102)之间为聚合物熔体腔(106)，竖隔板的底边设有出丝孔(104)，浸润剂腔(103)的顶部设有浸润剂入口(109)。

5.根据权利要求4所述的加捻连续纤维熔融沉积3D打印送丝装置，其特征在于，所述的出丝孔104的孔径为1-2mm；

D：H＝4～6：1；H：H1＝1:1.1～1.2；

D为外壳101的内径，H为柱状体的高度，H1为椎体的高度。

6.根据权利要求1所述的加捻连续纤维熔融沉积3D打印送丝装置，其特征在于，所述的被动转动构件(203)与动力装置3相连接，所述的动力装置的上端部套在所述的椎体外，两者之间设有密封构件。

7.根据权利要求1～6任一项所述的加捻连续纤维熔融沉积3D打印送丝装置，其特征在于，所述的凹槽(202)的深度为3-5mm；所述的凹槽202为向心缩小的喇叭口槽；喷丝口206的直径为1-3mm；主体201内径5-10mm。

8.根据权利要求7所述的加捻连续纤维熔融沉积3D打印送丝装置，其特征在于，所述的竖隔板102的数量为2～10块，所述的凹槽202的数量为2～10条，且竖隔板102的数量与凹槽202的数量相同。

9.采用权利要求1～8任一项所述的加捻连续纤维熔融沉积3D打印送丝装置，制备层层堆积形成的连续纤维增强复合材料的3D产品的坯型的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将聚合物、染色剂和其他助剂熔体的混合物，通过挤出装置，如双螺杆挤出机，挤出，通过主进料入口送入聚合物熔体腔；

(2)将浸润剂熔融挤出送入浸润腔剂；

(3)将连续纤维分别从浸润剂腔上部的纤维入口送入浸润剂腔，并从下部的出丝孔穿出，同时，启动所述的动力装置，打印送丝头水平方向旋转，对纤维加捻，聚合物熔体腔6中的聚合物熔体包裹了加捻后的纤维，从打印送丝头的下端部的纤维出口穿出，获得连续纤维增强的3D打印复合线材，并层层堆积形成连续纤维增强复合材料产品坯型。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的混合物的停留时间为30-100s；

步骤(3)中，所述的连续纤维的停留时间为0.6-1s；

步骤(4)中，打印送丝头2水平方向的旋转速度为5-10r/min。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，各个组分的重量百分比用量为：

各个组分的百分比之和为100％；

所述的聚合物选自PLA、PCL、PHA、PBS、PA、ABS、PC、PS、POM、PVC、PP中的一种或多种组成的“合金”；

所述连续纤维为玻璃纤维、陶瓷纤维、金属纤维、凯夫拉纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、聚醚纤维、聚酯纤维、碳纤维、石墨纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维、醋酸纤维、茧蚕丝中的一种或多种，或者根据实际需要，采用其它材料制成的连续纤维，所述纤维的单丝直径为10-20μm，纤维束一般为1200-2400tex，或者根据需要制作成其它直径大小的线材；

所用的浸润剂为PP马来酸酐接枝物；

所用的增韧剂为乙烯-辛烯弹性体。