一种短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置，主要应用于碳纤维材料的3D打印，将短切碳纤维和树脂材料混合并制成一种可热塑性打印的丝材。该装置主要由热熔加热装置、气压挤出装置、非对称式均匀搅拌装置、短碳纳米管纤维极化处理装置和自动盘丝装置这五个装置构成，其中碳纤维复合材料的均匀混合和短切碳纤维的极化处理是材料改性的两个主要过程。本发明专利技术提高了短切碳纤维和复合材料混合的均匀程度、保证了短切碳纤维的碳纳米管结构在复合材料中的定向排列形式和实现了碳纤维和热塑性复合材料小规格丝材的预制。3D打印预制丝材可提高碳纤维结构件打印精度和碳纤维结构件的机械性能。

A directional arrangement device for mixing short carbon fiber and thermoplastic composite material

The present invention relates to short carbon fiber and thermoplastic directional hybrid composite materials arrangement device, mainly used in carbon fiber material 3D printing, chopped carbon fiber and resin materials are mixed and made of a wire can be thermoplastic printed. The device is mainly composed of a heating device, hot melt pressure extrusion device, asymmetric mixing device, short carbon nanotube fiber polarization processing device and automatic disc wire device of the five devices, the polarization mixing and short cut carbon fiber carbon fiber composite material processing is the two main processes of material modification. The invention improves the chopped carbon fiber and composite materials, to ensure the uniformity of mixing the carbon nanotube structure of short carbon fiber composite materials in the orientation and implementation form of carbon fiber and thermoplastic composite small size wires prefabricated. 3D printing of preform wires improves the accuracy of the carbon fiber structure and the mechanical properties of the carbon fiber structure.

【技术实现步骤摘要】
一种短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置
本专利技术涉及一种短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置。
技术介绍
近几年来，随着3D打印技术的迅速发展，碳纤维材料也有了新的成形形式。目前，由于碳纤维在大批量生产过程中存在杂质的影响，故生产连续较长的碳纳米管需要较高的工艺处理成本，因此短切碳纤维仍然占据着较大的碳纤维市场。常见的3D打印成形技术有：SLA技术、FDM技术、SLS技术、LOM技术和3DP技术等。其中FDM是3D打印中最常见技术，因其运行成本低、打印质量好、成形精度高、材料种类多和后期处理简单等优势，因而被广泛使用。为了实现碳纳米管形式的短切碳纤维通过3D打印的形式制造出来，目前还没有短切碳纤维在热塑性复合材料基质中的定向排列的处理方法，目前常用的方法主要为短切碳纤维和热塑性复合材料混合后打印。目前的混合方式下短切碳纤维在热塑性复合材料基质中呈现各向异性的空间排列形式，该排列形式下碳纤维的材料的力学性能不佳。
技术实现思路
针对热塑性复合材料基质中短碳纳米管纤维空间取向的处理问题，本专利技术的目的在于提供一种短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置。该装置得到优化改性的碳纤维复合材料丝材可直接应用于高精度3D打印碳纤维结构功能件。主要应用于碳纤维材料的3D打印，将短切碳纤维和热塑性复合材料混合并制成一种可进行热塑性的3D丝材。该装置处理后的丝材中碳纳米管能够保持定向排列的紧密排列形式，可极大地提高3D打印形式下的碳纤维结构件的机械性能。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置，包括热熔加热装置、气压挤出装置、非对称式均匀搅拌装置、短碳纳米管纤维极化处理装置和自动盘丝装置；该设备所有的装置全部安装在工作台上，工作台要求有良好的隔热性能，所有的装置的工作均由主控制器控制和配电。以上五个装置通过主控制器进行控制，设置交互型的显示屏以及按钮，用户可以设定材料的加热温度、熔料腔工作气压、均匀搅拌转速、极化电场的强度和收料卷筒的规格尺寸。通过用户给定的参数，微处理器进行运算处理，实现以上五个装置的协调处理，最终完成短切碳纤维热塑性复合材料定向排列的丝材制备过程。所述热熔加热装置是由熔料腔密封盖、熔料腔体、加热管和热电偶组成，所述加热管安装在熔料腔体的底部，熔料腔体的温度通过热电偶进行检测，并将温度信号传递到主控制器上，主控制器将检测温度信号和输入参数进行比较来确定加热管是否需要加热，熔料腔密封盖安装在熔料腔体的顶端。热熔加热装置的布置位置需考虑整个装置的温度场热传递过程，要确保熔料腔中的制件完全熔化，单向转接管中材料也是完全熔化，挤出导管出口位置热塑材料的温度要低于玻璃化转变温度并且略微固化成丝状以便后面盘丝收集。所述气压挤出装置是由气动系统、消声器、气路管道、熔料腔密封盖、搅拌电机、熔料腔体、调整垫片、锥口导套、弹性密封垫块、出丝导管、压紧螺母、调整垫片、导管密封垫和转接弯管组成，所述气路管道将气动系统和熔料腔体实现气路连接，消声器以管螺纹的形式连接在气动系统的出气口上，在气压挤出的过程中，气动系统得到主控制器气压控制信号，通过气路管道对熔料腔体进行气体加压处理，通过熔料腔密封盖和腔盖密封垫圈实现熔料腔体的密封，搅拌电机的轴部通过电机轴用密封圈实现密封；所述调整垫片位于熔料腔体和转接弯管之间，锥口导套和转接弯管通过螺纹连接，弹性密封垫块位于锥口导套和转接弯管之间，所述出丝导管嵌在压紧螺母上，压紧螺母和转接弯管螺纹连接，调整垫片和导管密封垫均安装在压紧螺母和转接弯管之间。气压挤出装置可以实现熔料腔中短切碳纤维和热塑性复合材料混合物能够持续下降，实现混合物渐变式收到非对称式搅拌机构的均匀搅拌并实现熔料腔的熔融状态的复合材料能够以一定的流量经过极化电场和从挤出管中挤出。所述非对称式均匀搅拌装置是由搅拌电机、电机紧固处螺栓和密封垫、电机轴用密封圈、电机轴与联轴器连接处的紧定螺钉、联轴器、联轴器与搅拌轴连接处的定位销、搅拌轴、开口销、非对称搅拌板和非对称细筛孔板组成；所述搅拌电机通过电机紧固处螺栓和密封垫安装在熔料腔密封盖上，电机轴用密封圈安装在搅拌电机的转轴上并且位于熔料腔密封盖密封槽中，搅拌电机的转轴和联轴器通过紧定螺钉连接，联轴器和搅拌轴通过定位销进行连接，非对称搅拌板和非对称细筛孔板均通过开口销与搅拌轴连接。非对称式均匀搅拌装置具有上层的粗搅拌孔筛和下层的非对称式细孔筛；上层粗搅拌孔筛能够完成大块短切碳纤维粉末和热塑性复合材料的粗搅拌，以避免下层细孔筛的堵塞。下层的细孔筛为非对称式的孔筛排列形式，从而保证同一层高度的混合物在一个周期的搅拌过程中能够流过不同的细孔筛，这样便可实现短切碳纤维和热塑性复合材料的均匀搅拌。所述短碳纳米管纤维极化处理装置是由紧固铁氧体、电场发射天线、线圈隔离套、电场发射器底座、初级磁线圈、次级磁线圈、主控制器和六角螺栓组成；所述紧固铁氧体和电场发射天线通过螺纹连接，线圈隔离套和电场发射器底座通过六角螺栓进行紧固，初级磁线圈安装在线圈隔离套上并且两端均接在组控制器上，次级磁线圈安装在紧固铁氧体上并且一端接电场发射天线另一端接主控制器。通过天线发射高压电场可瞬间实现导电的短切碳纤维极化处理，其具体所需的电场强度和场的分布主要取决于熔融热塑性复合材料基质的粘度和流动状态。这样便可实现熔融状态下热塑性复合材料基质中的短切碳纤维的定向排列处理，并且其内部的碳纳米管纤维呈现线性首尾相接现象，这将极大地提升复合材料的力学性能。所述自动盘丝装置是由盘丝电机、卷筒轴套、卷筒、挤出丝材、盘丝装置底座、轴向拨块、气缸、气动系统、第一气缸管路以及第二气缸管路组成；所述盘丝电机和卷筒轴套过盈配合，卷筒轴套和卷筒采用过渡配合进行连接，挤出丝材缠绕在卷筒上，盘丝电机安装在盘丝装置底座上，盘丝装置底座安装在工作台上，轴向拨块安装在气缸的轴端并且轴向拨块的拨叉卡在卷筒上，气缸安装在工作台上，第一气缸管路以及第二气缸管路均安装在气动系统和气缸的配气孔上。盘丝电机的转速和挤出管中丝材的挤出速度匹配。盘丝卷筒的轴向往返速度由卷筒规格尺寸和卷筒转速决定，其速度主要由气动元件的高压气体流量决定。所有易被热塑性复合材料材料堵塞的零件均为可替换的简单零件。一般情况下，重复使用时简单接触零件中的热塑性复合材料材料会被加热熔化，不会对后面连续出丝造成太大影响，并且搅拌均匀的后短切碳纤维不会在熔融状态的热塑性复合材料基质中产生团聚而影响到挤出管路的堵塞。短切碳纤维和热塑性复合材料中的热塑性复合材料材料可以使用ABS、PLA、PA、PE、PP和PVC等热塑性复合材料材料，而碳纤维材料主要是短切的碳纤维。与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果在于：本专利技术装置实现了将短切碳纤维和热塑性复合材料直接做成丝材，以便于后期将丝材直接放到常用的FDM形式的3D打印机进行碳纤维结构件的打印，该复合的极化处理方式极大地提高了复合材料中短切碳纤维的定向排列空间分布形式，并且短切碳纤维能够首尾相接保持一定的纤维连续型。本专利技术可为FDM形式的3D打印机提供短切碳纤维形式的打印原材料。该装置可以实现3D打印高精度的碳纤维材料结构件，并且该结构件在材料的预先定向排列处理后具有良好的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置，其特征在于，包括热熔加热装置、气压挤出装置、非对称式均匀搅拌装置、短碳纳米管纤维极化处理装置和自动盘丝装置；该设备所有的装置全部安装在工作台（1）上，工作台（1）要求有良好的隔热性能，所有的装置的工作均由主控制器（2）控制和配电。

【技术特征摘要】
1.一种短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置，其特征在于，包括热熔加热装置、气压挤出装置、非对称式均匀搅拌装置、短碳纳米管纤维极化处理装置和自动盘丝装置；该设备所有的装置全部安装在工作台（1）上，工作台（1）要求有良好的隔热性能，所有的装置的工作均由主控制器（2）控制和配电。2.根据权利要求1所述的短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置，其特征在于，所述热熔加热装置是由熔料腔密封盖（6）、熔料腔体（8）、加热管（29）和热电偶（30）组成，所述加热管（29）安装在熔料腔体（8）的底部，熔料腔体（8）的温度通过热电偶（30）进行检测，并将温度信号传递到主控制器（2）上，主控制器（2）将检测温度信号和输入参数进行比较来确定加热管（29）是否需要加热，熔料腔密封盖（6）安装在熔料腔体（8）的顶端。3.根据权利要求1所述的短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置，其特征在于，所述气压挤出装置是由气动系统（3）、消声器（4）、气路管道（5）、熔料腔密封盖（6）、搅拌电机（7）、熔料腔体（8）、调整垫片（31）、锥口导套（32）、弹性密封垫块（33）、出丝导管（28）、压紧螺母（34）、调整垫片（35）、导管密封垫（36）和转接弯管（37）组成，所述气路管道（5）将气动系统（3）和熔料腔体（8）实现气路连接，消声器（4）以管螺纹的形式连接在气动系统（3）的出气口上，在气压挤出的过程中，气动系统（3）得到主控制器（2）气压控制信号，通过气路管道（5）对熔料腔体（8）进行气体加压处理，通过熔料腔密封盖（6）和腔盖密封垫圈（21）实现熔料腔体（8）的密封，搅拌电机（7）的轴部通过电机轴用密封圈（17）实现密封；所述调整垫片（31）位于熔料腔体（8）和转接弯管（37）之间，锥口导套（32）和转接弯管（37）通过螺纹连接，弹性密封垫块（33）位于锥口导套（32）和转接弯管（37）之间，所述出丝导管（28）嵌在压紧螺母（34）上，压紧螺母（34）和转接弯管（37）螺纹连接，调整垫片（35）和导管密封垫（36）均安装在压紧螺母（34）和转接弯管（37）之间。4.根据权利要求1所述的短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置，其特征在于，所述非对称式均匀搅拌装置是由搅拌电机（7）...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海光，王明黔，胡庆夕，刘大利，
申请(专利权)人：上海大学，上海宇航系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31