CN113858482A - 一种3d打印用纤维增强热塑性复合材料长丝制备方法 - Google Patents

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韩进
牛康民
姜乃生
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Abstract

本发明提供一种3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝制备方法，属于3D打印技术领域。该方法首先进行碳纤维丝束的展纱，然后进行纤维丝束预热和纤维与热塑性树脂浸渍，最后通过定径模具定型、冷却、收卷，得到连续纤维3D打印长丝。本发明是由热塑性树脂均匀纤维束得到的连续纤维复合材料3D打印长丝，该复合材料长丝具有高强度、高模量，并且制备的3D打印样件具有高的力学性能等优点。本发明方法能够高效连续制备3D打印长丝。

Description

一种3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝制备方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别是指一种3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝制备方法。
背景技术
3D打印技术，也被称为增材制造，由于其快速制造的能力，最近已经在世界范围内传播开来。其中熔融沉积成型(FDM)是应用最广泛的3D打印技术，因为它使用廉价的设备和易于使用构建复杂的部件与热塑性长丝，如聚乳酸,尼龙或ABS等。然而，用纯热塑性丝印刷的样件的一个主要缺点是机械性能差，从而限制了应用。
连续纤维由于其优异的力学性能和轻量化特性，在复合材料领域发挥着至关重要的作用。使用连续纤维增强热塑性树脂相比较于短纤维增强热塑性树脂强度有明显的提高，是因为连续纤维具有更低的孔隙率、更高的强度。但是连续纤维3D打印技术在材料方面还是存在一定的问题：纤维含量低、打印样件分层等，还不能满足应用的实际要求。
现有技术中涉及的3D打印用长玄武岩纤维热塑性耗材、其制备方法及制备装置，具有高强度、高模量、抗冲击、耐高温等优点，还提供了其3D打印热塑性复合材料耗材的制备方法和制备装置，能够连续生产3D打印耗材，但是该方法对打印丝的浸渍情况没有得到较好控制。
现有技术中涉及的3D打印用复合材料及其制备方法，其所得3D打印用复合材料基材为皮芯结构,芯层采用碳纤维增强PA6T-6I或PA6T-66(高熔点)复合材料,纤维含量30-50％，保证了复合材料3D打印基材的整体力学性能和尺寸稳定性；芯层采用碳纤维增强PA6T-66或PA6T-6(略低熔点)复合材料，纤维含量10％-20％，保证了复合材料3D打印基材的尺寸精度，该技术在于对基体材料的选择较为严格，且无法对纤维的分布有所控制，从而导致最终样件的性能较低，不能满足实际需求。
所以在能保证纤维均匀的浸渍树脂的前提下，还可以提高3D打印长丝的纤维含量和3D打印长丝的断面直径，将3D打印复合材料能搞进一步提高力学性能，并能够推向更广阔的应用领域是摆在结构设计及工艺部门的难题及迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝制备方法，以解决现有3D打印纤维热塑性复合材料长丝无法制备纤维含量高、纤维分布均匀和热塑性复合材料长丝截面直径可控的问题，该制备方法可连续制备超细3D打印复合材料长丝，制备出的长丝经过3D打印后样件的孔隙率低，从而力学性能有所提高，并且生产效率高。
该方法包括步骤如下：
S1：纤维丝束展纱：设置好挤出装置、浸渍装置和定径装置的温度后，将热塑性树脂从挤出装置的喂料口导入，将纤维从展纱架上引入；
S2：纤维丝束预热：按照设置好的温度进行预热；
S3：纤维与热塑性树脂浸渍：待纤维丝束达到设定温度后，打开挤出装置，将热塑性树脂挤入浸渍装置中与纤维浸渍；
S4：通过定径模具定型：通过1-5道定径模具后，得到3D打印线材；
S5：冷却、收卷：将得到的3D打印线材冷却后收卷，制得3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝。
其中，3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝的每一根纤维丝都被树脂包覆，长丝孔隙含量小于5％。
S1中纤维20-80份、热塑性树脂80-20份。同时可根据产品需求额外添加色母、抗氧剂、阻燃剂、相容剂、成核剂、耐候剂等多种辅助助剂。
热塑性树脂为聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚乳酸、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚苯硫醚、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯中的一种或多种。
纤维为碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、玄武岩纤维、PBO纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、涤纶、锦纶中的一种或多种混合。
S2中纤维丝束预热温度为0-400℃。
S1中浸渍装置设置温度为150-400℃，定径装置设置温度为150-400℃，挤出装置设置温度为150-400℃。
定径装置的定型孔直径为0.1-10mm。
优选的，定径装置的定型孔直径为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.8、1.0、1.5、1.75、2.0mm中的一种。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，将连续纤维束均匀浸渍包裹热塑性树脂得到的连续纤维增强热塑性复合材料3D打印长丝，其纤维含量高、纤维分布均匀和热塑性复合材料长丝截面直径可控，能够提高现有3D打印复合材料长丝的力学性能，并且该方法可以进行连续生产复合材料长丝，生产效率能够有效提升，满足实际生产需求。
附图说明
图1为本发明的3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝制备方法的制备流程示意图；
图2为本发明的3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝制备方法所用的定径模具示意图；
图3为本发明实施例中所得的产品图；
图4为本发明所制备的3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝的实际截面示意图。
其中：1-纤维束；2-展纱架；3-加热装置；4-挤出装置；5-浸渍装置；6-定径装置；7-牵引设备；8-收卷装置；9-碳纤维；10-树脂基体。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝制备方法。
该方法包括步骤如下：
S1：纤维丝束展纱：设置好挤出装置、浸渍装置和定径装置的温度后，将热塑性树脂从挤出装置的喂料口导入，将纤维从展纱架上引入；
S2：纤维丝束预热；
S3：纤维与热塑性树脂浸渍：待纤维丝束达到设定温度后，打开挤出装置，将热塑性树脂挤入浸渍装置中与纤维浸渍；
S4：通过定径模具定型：通过1-5道定径模具后，得到3D打印线材；
S5：冷却、收卷：将得到的3D打印线材冷却后收卷，制得3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝。
其中，3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝的每一根纤维丝都被树脂包覆，长丝孔隙含量小于5％。
S1中纤维20-80份、热塑性树脂80-20份。
热塑性树脂为聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚乳酸、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚苯硫醚、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯中的一种或多种。
纤维为碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、玄武岩纤维、PBO纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、涤纶、锦纶中的一种或多种混合。
S1中浸渍装置设置温度为150-400℃，定径装置设置温度为150-400℃，挤出装置设置温度为150-400℃。S2中纤维丝束预热温度为0-400℃。
定径装置的定型孔直径为0.1-10mm。定径装置具体如图2所示。
下面结合具体实施例予以说明。
如图1所示，按工艺顺序将展纱架2、挤出装置4、浸渍装置5、定径装置6、牵引设备7和收卷装置8依次连接好，展纱架2设有加热装置3，将纤维束1从展纱架2上引入。
在具体实施中，采用玻璃纤维纤维作为增强材料，PLA(聚乳酸)为基体材料，制备直径为0.3-0.4mm的超细、高纤维含量的高性能3D打印用丝材，具体制备步骤如下：
步骤1：设置挤出装置、浸渍装置和定径装置的温度；
步骤2：将烘干后的PLA从挤出机的主喂料口倒入，将玻璃纤维从展纱装置上引入；
步骤3：待各个装置的温度升到所需温度时，将挤出装置打开，将树脂挤入到浸渍装置中与碳纤维浸渍，通过1-5道定径模具后得到直径大小为0.3-0.4mm的3D打印线材，后使用3D打印机按照拉伸标准件和弯曲标准件的要求进行打印，得到样件，如图3和图4所示，可见每一根碳纤维9都被树脂基体10包覆。
对比例1
使用和实施例1相同的打印参数，对纯PLA进行3D打印，并测试其拉伸和弯曲性能。
对比例2
对单根3D打印丝材进行拉伸测试。
通过本发明制备的3D打印丝材，碳纤维含量高，打印丝直径细，尺寸稳定性好，且具有高的力学性能，具体测试数据如表1所示。
表1实施例和对比例试样所得的3D打印线材和样品的性能参数
Figure BDA0003253129200000051
由表1的实验结果可以得知:采用本发明的制备方法制备得到的3D打印纤维增强热塑性复合材料3D打印丝材的力学性能优于现有技术,且浸渍效果良好,纤维分布均匀，得到的连续丝材的力学性能优异。
综上，本发明的3D打印用连续纤维增强热塑性3D打印丝材各项性能均有明显提升，能够适用于打印各种结构的型材,可以扩展其应用范围，开发3D打印在其他领域，如：汽车等上的应用。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝制备方法，其特征在于：包括步骤如下：
S1：纤维丝束展纱：设置好挤出装置、浸渍装置和定径装置的温度后，将热塑性树脂从挤出装置的喂料口导入，将纤维从展纱架上引入；
S2：纤维丝束预热；
S3：纤维与热塑性树脂浸渍：待纤维丝束达到设定温度后，打开挤出装置，将热塑性树脂挤入浸渍装置中与纤维浸渍；
S4：通过定径模具定型：通过1-5道定径模具后，得到3D打印线材；
S5：冷却、收卷：将得到的3D打印线材冷却后收卷，制得3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝。
2.根据权利要求1所述的3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝制备方法，其特征在于：所述3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝的每一根纤维丝都被树脂包覆，长丝孔隙含量小于5％。
3.根据权利要求1所述的3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝制备方法，其特征在于：所述S1中纤维20-80份、热塑性树脂80-20份。
4.根据权利要求1所述的3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝制备方法，其特征在于：所述热塑性树脂为聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚乳酸、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚苯硫醚、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝制备方法，其特征在于：所述纤维为碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、玄武岩纤维、PBO纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、涤纶、锦纶中的一种或多种混合。
6.根据权利要求1所述的3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝制备方法，其特征在于：所述S2中纤维丝束预热温度为0-400℃。
7.根据权利要求1所述的3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝制备方法，其特征在于：所述S1中浸渍装置设置温度为150-400℃，定径装置设置温度为150-400℃，挤出装置设置温度为150-400℃。
8.根据权利要求1所述的3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝制备方法，其特征在于：所述定径装置的定型孔直径为0.1-10mm。
9.根据权利要求8所述的3D打印用纤维增强热塑性复合材料长丝制备方法，其特征在于：所述定径装置的定型孔直径为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.8、1.0、1.5、1.75、2.0mm中的一种。
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