一种热固/热塑混合的纤维增强复合材料3D打印装置及方法，包括安装在3D打印运动载体上的依次设置的料卷装置、张力控制装置、展纱装置、纤维预浸装置、剪切重送装置、压辊热压实装置、原位定型装置；采用有限元分析，结合数据库生成热固性/热塑性混合设计复合材料3D打印路径；将含有路径信息的工艺控制代码输入到3D打印装置，通过浸渍密闭腔的树脂粉末喷枪对连续碳纤维进行浸润，制备预浸丝束；打印得到预成型体，后续热处理制得复合材料3D打印成型构件；本发明专利技术连续碳纤维增强热固性复合材料可以实现多种树脂材料混合/包覆的连续碳纤维预浸丝束的制备，并进行高效高质量3D打印制备纤维增强复合材料。增强复合材料。增强复合材料。
【技术实现步骤摘要】
热固/热塑混合的纤维增强复合材料3D打印装置及方法
[0001]本专利技术涉及3D打印成型
，具体涉及一种热固/热塑混合的纤维增强复合材料3D打印装置及方法。
技术介绍
[0002]复合材料具有比强度高、比模量高以及稳定性好等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶制造等既需要强度又追求轻量化的领域。复合材料3D打印技术是一种高效、高质量、定制化程度高的复合材料制造技术，能实现复合材料的快速设计与制造。随着复合材料3D打印技术的不断发展，连续碳纤维增强热固性复合材料凭借其高强度、高硬度、良好的耐热性等优点，逐渐成为复合材料3D打印的主要材料。
[0003]现有的3D打印装置(申请号CN201611026706.0、名称为：一种适用于连续纤维增强复合材料3D打印的喷头)，纤维树脂浸润原理为熔融的树脂在挤压作用下与纤维进行浸润，浸润方案为增加树脂包裹纤维束的时间和流动的长度来提高树脂与纤维束的粘结效果，浸润完成后直接通过喷嘴进行打印；其存在以下缺点：
[0004](1)纤维丝束内部具有上浆剂，未经过展纱预浸的连续纤维直接与树脂接触无法使树脂进入纤维内部，浸润不充分；(2)无法实现多种树脂混合打印，若通过增加树脂槽的方式实现多种树脂混合打印，则第一个树脂槽之后的树脂槽内树脂会受到前方树脂的污染；(3)直接通过喷嘴打印的预浸丝束会在喷嘴处形成90
°
夹角，该位置喷嘴会刮蹭纤维，导致碎纤维在喷嘴内部积聚，造成喷嘴堵塞，且喷嘴打印无法进行热压实，导致打印的样件缺陷较多；(4)该类装置熔融树脂的容器内部树脂难以回收，难以清洁，造成树脂的浪费，且更换树脂时会造成树脂的污染；(5)打印完样件后需要手动切断纤维丝束重新打印，自动化程度较低。
技术实现思路
[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供了一种热固/热塑混合的纤维增强复合材料3D打印装置及方法，可以实现多种树脂材料混合/包覆的连续碳纤维预浸丝束的制备，并进行高效高质量3D打印制备纤维增强复合材料。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0007]一种热固/热塑混合的纤维增强复合材料3D打印装置，包括安装在3D打印运动载体上的依次设置的料卷装置、张力控制装置、展纱装置、纤维预浸装置、剪切重送装置、压辊热压实装置、原位定型装置；
[0008]料卷装置包括料卷辊，料卷辊上缠绕有连续碳纤维料卷；
[0009]张力控制装置包括高度可调辊以及固定辊，通过高度变化调整连续碳纤维丝束在辊上的包角，控制连续碳纤维的张力；
[0010]展纱装置包括高温压缩气体装置，高温软化连续碳纤维中的上浆剂，完成连续碳纤维的展纱；
[0011]纤维预浸装置包括一个以上的浸渍密闭腔，浸渍密闭腔两端设有通电石墨辊，将连续碳纤维形成导电通路，完成对连续碳纤维丝束的加热；浸渍密闭腔中设有温度传感器，温度传感器检测连续碳纤维丝束的温度；通电石墨辊、温度传感器控制端和温控仪连接，温控仪通过温度传感器的信号调控连续碳纤维丝束中的电流，实现浸渍密闭腔中连续碳纤维丝束的温度控制，使其高于所选树脂的软化点；浸渍密闭腔中连接的树脂粉末喷枪向连续碳纤维丝束喷射混杂树脂粉末，混杂树脂粉末接触到高温连续碳纤维后迅速软化，附着在连续碳纤维上，完成了连续碳纤维增强复合材料的浸润；
[0012]剪切重送装置包括剪切装置及对辊，完成连续碳纤维丝束的剪切、夹持、重送；
[0013]压辊热压实装置的压辊通过加热棒加热，剪切重送装置送来的连续碳纤维丝束接触到热压辊后发生软化，随着压辊接触打印底板，并通过压辊的热压实功能粘接在打印底板上；
[0014]原位定型装置将打印底板上的连续碳纤维进行原位定型，完成打印。
[0015]所述的展纱装置根据需要更换为超声展纱装置、机械展纱装置。
[0016]所述的3D打印运动载体包括机器人式、龙门式、卧式以及不同混合结构的运动机械载体。
[0017]所述的压辊热压实装置的压辊表面设有温度传感器，实现压辊表面温度的精准控制。
[0018]所述的原位定型装置是电子束固化腔、光固化光源、激光光源提供热塑性与热固性原位定型所需能量的装置。
[0019]所述的浸渍密闭腔与其配套装置数量根据所需的复合材料性质进行增减，进行一种树脂的预浸，或实现超过两种树脂的浸润，形成热塑性树脂包裹热固性树脂的连续碳纤维增强丝束或热固性树脂包裹热塑性树脂的连续碳纤维增强丝束等多层树脂的复合材料预浸丝束；对连续碳纤维增强热固性复合材料的层间性能进行改善，并在固化过程中控制固化温度在热塑性树脂软化点以下，利用热塑性树脂保持固化过程中的形状，实现无模具固化。
[0020]所述的浸渍密闭腔内附有真空回收装置，可将多余树脂粉末进行回收重复利用；根据连续碳纤维丝束宽度要求在浸渍密闭腔内设置1
‑
4台树脂粉末喷枪，对于需要惰性环境要求的树脂，在浸渍密闭腔内通入氮气、氩气等惰性气体；打印加热电源功率为20
‑
1000W，提供0
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100A幅值电流，实现50
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500度的加热温度。
[0021]利用一种热固/热塑混合的纤维增强复合材料3D打印装置的打印方法，包括步骤：
[0022]S1：根据复合材料结构性能需要，采用有限元分析对复合材料结构进行优化，获得具有热固性/热塑性树脂基体混合搭配的复合材料结构，结合复合材料性能数据库选择不同位置所需的复合材料树脂基体，生成热固性/热塑性混合设计复合材料3D打印路径；
[0023]S2：将所需的热固性和/或热塑性树脂基体分别装入到树脂粉末喷枪中，然后将所选的连续碳纤维丝束装入到料卷装置中；
[0024]S3：结合生成打印路径与复合材料打印性能要求，对包括打印速度、打印温度、压辊温度与高度、丝束张力，预浸丝束控制指令、剪切重送控制指令的打印工艺参数进行预设；
[0025]S4:将含有路径信息的工艺控制代码输入到3D打印装置的控制系统中开始进行打
印，连续碳纤维经过展纱后进入浸渍密闭腔，经过树脂粉末喷枪喷射树脂粉末后形成一种树脂/多种树脂预浸过的预浸丝束，通过压辊热压实，得到混合设计的复合材料3D打印预成型体；
[0026]S5：根据热固性树脂后固化以及热塑性树脂热处理要求，将制备的预成型体置于混合树脂所需的温度环境下进行后续热处理，最终制得复合材料3D打印成型构件。
[0027]所述的步骤S1中有限元求解软件包括ANSYS、ABAQUS、MATLAB、COMSOL、icepark、flotherm、MicroWave Studio、HFSS或Mafia。
[0028]所述的步骤S3中打印丝束预浸效果的控制通过预浸丝束加热温度与喷粉量的控制而实现，其中通过连续碳纤维丝束两端石墨电极辊的电压调节控制预浸丝束的加热温度大小，通过树脂粉末喷枪静电喷嘴大小与静电电压调节树脂粉末喷枪喷出的出粉量，从而达到对不同树脂基体以及不本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种热固/热塑混合的纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于：包括安装在3D打印运动载体上的依次设置的料卷装置、张力控制装置、展纱装置、纤维预浸装置、剪切重送装置、压辊热压实装置、原位定型装置；料卷装置包括料卷辊，料卷辊上缠绕有连续碳纤维料卷；张力控制装置包括高度可调辊以及固定辊，通过高度变化调整连续碳纤维丝束在辊上的包角，控制连续碳纤维的张力；展纱装置包括高温压缩气体装置，高温软化连续碳纤维中的上浆剂，完成连续碳纤维的展纱；纤维预浸装置包括一个以上的浸渍密闭腔，浸渍密闭腔两端设有通电石墨辊，将连续碳纤维形成导电通路，完成对连续碳纤维丝束的加热；浸渍密闭腔中设有温度传感器，温度传感器检测连续碳纤维丝束的温度；通电石墨辊、温度传感器控制端和温控仪连接，温控仪通过温度传感器的信号调控连续碳纤维丝束中的电流，实现浸渍密闭腔中连续碳纤维丝束的温度控制，使其高于所选树脂的软化点；浸渍密闭腔中连接的树脂粉末喷枪向连续碳纤维丝束喷射混杂树脂粉末，混杂树脂粉末接触到高温连续碳纤维后迅速软化，附着在连续碳纤维上，完成了连续碳纤维增强复合材料的浸润；剪切重送装置包括剪切装置及对辊，完成连续碳纤维丝束的剪切、夹持、重送；压辊热压实装置的压辊通过加热棒加热，剪切重送装置送来的连续碳纤维丝束接触到热压辊后发生软化，随着压辊接触打印底板，并通过压辊的热压实功能粘接在打印底板上；原位定型装置将打印底板上的连续碳纤维进行原位定型，完成打印。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的展纱装置根据需要更换为超声展纱装置、机械展纱装置。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的3D打印运动载体包括机器人式、龙门式、卧式以及不同混合结构的运动机械载体。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的压辊热压实装置的压辊表面设有温度传感器，实现压辊表面温度的精准控制。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的原位定型装置是电子束固化腔、光固化光源、激光光源提供热塑性与热固性原位定型所需能量的装置。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的浸渍密闭腔与其配套装置数量根据所需的复合材料性质进行增减，进行一种树脂的预浸，或实现超过两种树脂的浸润，形成热塑性树脂包裹热固性树脂的连续碳纤维增强丝束或热固性树脂包裹热塑性树脂的连续碳纤维增强丝束的多层树脂的复合材料预浸丝束。7.根据权利要求1所述的装置...
【专利技术属性】
技术研发人员：王奔，李旭辉，段玉岗，王枫，刘德义，王松，明越科，陈昱荷，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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