本發(fā)明涉及一種短切碳纖維和熱塑性復合材料混合的定向排列處理裝置。

背景技術：

近幾年來，隨著3D打印技術的迅速發(fā)展，碳纖維材料也有了新的成形形式。目前，由于碳纖維在大批量生產過程中存在雜質的影響，故生產連續(xù)較長的碳納米管需要較高的工藝處理成本，因此短切碳纖維仍然占據(jù)著較大的碳纖維市場。

常見的3D打印成形技術有：SLA技術、FDM技術、SLS技術、LOM技術和3DP技術等。其中FDM是3D打印中最常見技術，因其運行成本低、打印質量好、成形精度高、材料種類多和后期處理簡單等優(yōu)勢，因而被廣泛使用。

為了實現(xiàn)碳納米管形式的短切碳纖維通過3D打印的形式制造出來，目前還沒有短切碳纖維在熱塑性復合材料基質中的定向排列的處理方法，目前常用的方法主要為短切碳纖維和熱塑性復合材料混合后打印。目前的混合方式下短切碳纖維在熱塑性復合材料基質中呈現(xiàn)各向異性的空間排列形式，該排列形式下碳纖維的材料的力學性能不佳。

技術實現(xiàn)要素：

針對熱塑性復合材料基質中短碳納米管纖維空間取向的處理問題，本發(fā)明的目的在于提供一種短切碳纖維和熱塑性復合材料混合的定向排列處理裝置。該裝置得到優(yōu)化改性的碳纖維復合材料絲材可直接應用于高精度3D打印碳纖維結構功能件。主要應用于碳纖維材料的3D打印，將短切碳纖維和熱塑性復合材料混合并制成一種可進行熱塑性的3D絲材。該裝置處理后的絲材中碳納米管能夠保持定向排列的緊密排列形式，可極大地提高3D打印形式下的碳纖維結構件的機械性能。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種短切碳纖維和熱塑性復合材料混合的定向排列處理裝置，包括熱熔加熱裝置、氣壓擠出裝置、非對稱式均勻攪拌裝置、短碳納米管纖維極化處理裝置和自動盤絲裝置；該設備所有的裝置全部安裝在工作臺上，工作臺要求有良好的隔熱性能，所有的裝置的工作均由主控制器控制和配電。以上五個裝置通過主控制器進行控制，設置交互型的顯示屏以及按鈕，用戶可以設定材料的加熱溫度、熔料腔工作氣壓、均勻攪拌轉速、極化電場的強度和收料卷筒的規(guī)格尺寸。通過用戶給定的參數(shù)，微處理器進行運算處理，實現(xiàn)以上五個裝置的協(xié)調處理，最終完成短切碳纖維熱塑性復合材料定向排列的絲材制備過程。

所述熱熔加熱裝置是由熔料腔密封蓋、熔料腔體、加熱管和熱電偶組成，所述加熱管安裝在熔料腔體的底部，熔料腔體的溫度通過熱電偶進行檢測，并將溫度信號傳遞到主控制器上，主控制器將檢測溫度信號和輸入參數(shù)進行比較來確定加熱管是否需要加熱，熔料腔密封蓋安裝在熔料腔體的頂端。熱熔加熱裝置的布置位置需考慮整個裝置的溫度場熱傳遞過程，要確保熔料腔中的制件完全熔化，單向轉接管中材料也是完全熔化，擠出導管出口位置熱塑材料的溫度要低于玻璃化轉變溫度并且略微固化成絲狀以便后面盤絲收集。

所述氣壓擠出裝置是由氣動系統(tǒng)、消聲器、氣路管道、熔料腔密封蓋、攪拌電機、熔料腔體、調整墊片、錐口導套、彈性密封墊塊、出絲導管、壓緊螺母、調整墊片、導管密封墊和轉接彎管組成，所述氣路管道將氣動系統(tǒng)和熔料腔體實現(xiàn)氣路連接，消聲器以管螺紋的形式連接在氣動系統(tǒng)的出氣口上，在氣壓擠出的過程中，氣動系統(tǒng)得到主控制器氣壓控制信號，通過氣路管道對熔料腔體進行氣體加壓處理，通過熔料腔密封蓋和腔蓋密封墊圈實現(xiàn)熔料腔體的密封，攪拌電機的軸部通過電機軸用密封圈實現(xiàn)密封；所述調整墊片位于熔料腔體和轉接彎管之間，錐口導套和轉接彎管通過螺紋連接，彈性密封墊塊位于錐口導套和轉接彎管之間，所述出絲導管嵌在壓緊螺母上，壓緊螺母和轉接彎管螺紋連接，調整墊片和導管密封墊均安裝在壓緊螺母和轉接彎管之間。氣壓擠出裝置可以實現(xiàn)熔料腔中短切碳纖維和熱塑性復合材料混合物能夠持續(xù)下降，實現(xiàn)混合物漸變式收到非對稱式攪拌機構的均勻攪拌并實現(xiàn)熔料腔的熔融狀態(tài)的復合材料能夠以一定的流量經過極化電場和從擠出管中擠出。

所述非對稱式均勻攪拌裝置是由攪拌電機、電機緊固處螺栓和密封墊、電機軸用密封圈、電機軸與聯(lián)軸器連接處的緊定螺釘、聯(lián)軸器、聯(lián)軸器與攪拌軸連接處的定位銷、攪拌軸、開口銷、非對稱攪拌板和非對稱細篩孔板組成；所述攪拌電機通過電機緊固處螺栓和密封墊安裝在熔料腔密封蓋上，電機軸用密封圈安裝在攪拌電機的轉軸上并且位于熔料腔密封蓋密封槽中，攪拌電機的轉軸和聯(lián)軸器通過緊定螺釘連接，聯(lián)軸器和攪拌軸通過定位銷進行連接，非對稱攪拌板和非對稱細篩孔板均通過開口銷與攪拌軸連接。非對稱式均勻攪拌裝置具有上層的粗攪拌孔篩和下層的非對稱式細孔篩；上層粗攪拌孔篩能夠完成大塊短切碳纖維粉末和熱塑性復合材料的粗攪拌，以避免下層細孔篩的堵塞。下層的細孔篩為非對稱式的孔篩排列形式，從而保證同一層高度的混合物在一個周期的攪拌過程中能夠流過不同的細孔篩，這樣便可實現(xiàn)短切碳纖維和熱塑性復合材料的均勻攪拌。

所述短碳納米管纖維極化處理裝置是由緊固鐵氧體、電場發(fā)射天線、線圈隔離套、電場發(fā)射器底座、初級磁線圈、次級磁線圈、主控制器和六角螺栓組成；所述緊固鐵氧體和電場發(fā)射天線通過螺紋連接，線圈隔離套和電場發(fā)射器底座通過六角螺栓進行緊固，初級磁線圈安裝在線圈隔離套上并且兩端均接在組控制器上，次級磁線圈安裝在緊固鐵氧體上并且一端接電場發(fā)射天線另一端接主控制器。通過天線發(fā)射高壓電場可瞬間實現(xiàn)導電的短切碳纖維極化處理，其具體所需的電場強度和場的分布主要取決于熔融熱塑性復合材料基質的粘度和流動狀態(tài)。這樣便可實現(xiàn)熔融狀態(tài)下熱塑性復合材料基質中的短切碳纖維的定向排列處理，并且其內部的碳納米管纖維呈現(xiàn)線性首尾相接現(xiàn)象，這將極大地提升復合材料的力學性能。

所述自動盤絲裝置是由盤絲電機、卷筒軸套、卷筒、擠出絲材、盤絲裝置底座、軸向撥塊、氣缸、氣動系統(tǒng)、第一氣缸管路以及第二氣缸管路組成；所述盤絲電機和卷筒軸套過盈配合，卷筒軸套和卷筒采用過渡配合進行連接，擠出絲材纏繞在卷筒上，盤絲電機安裝在盤絲裝置底座上，盤絲裝置底座安裝在工作臺上，軸向撥塊安裝在氣缸的軸端并且軸向撥塊的撥叉卡在卷筒上，氣缸安裝在工作臺上，第一氣缸管路以及第二氣缸管路均安裝在氣動系統(tǒng)和氣缸的配氣孔上。盤絲電機的轉速和擠出管中絲材的擠出速度匹配。盤絲卷筒的軸向往返速度由卷筒規(guī)格尺寸和卷筒轉速決定，其速度主要由氣動元件的高壓氣體流量決定。

所有易被熱塑性復合材料材料堵塞的零件均為可替換的簡單零件。一般情況下，重復使用時簡單接觸零件中的熱塑性復合材料材料會被加熱熔化，不會對后面連續(xù)出絲造成太大影響，并且攪拌均勻的后短切碳纖維不會在熔融狀態(tài)的熱塑性復合材料基質中產生團聚而影響到擠出管路的堵塞。

短切碳纖維和熱塑性復合材料中的熱塑性復合材料材料可以使用ABS、PLA、PA、PE、PP和PVC等熱塑性復合材料材料，而碳纖維材料主要是短切的碳纖維。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益技術效果在于：

本發(fā)明裝置實現(xiàn)了將短切碳纖維和熱塑性復合材料直接做成絲材，以便于后期將絲材直接放到常用的FDM形式的3D打印機進行碳纖維結構件的打印，該復合的極化處理方式極大地提高了復合材料中短切碳纖維的定向排列空間分布形式，并且短切碳纖維能夠首尾相接保持一定的纖維連續(xù)型。本發(fā)明可為FDM形式的3D打印機提供短切碳纖維形式的打印原材料。該裝置可以實現(xiàn)3D打印高精度的碳纖維材料結構件，并且該結構件在材料的預先定向排列處理后具有良好的機械性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明短切碳纖維和熱塑性復合材料混合的定向排列處理裝置的結構示意圖。

圖2是本發(fā)明短切碳纖維和熱塑性復合材料混合的定向排列處理裝置的結構剖切圖。

圖3是本發(fā)明短切碳纖維和熱塑性復合材料混合的定向排列處理裝置的極化結構圖。

圖4是本發(fā)明短切碳纖維和熱塑性復合材料混合的定向排列處理裝置的極化原理圖。

圖5是本發(fā)明短切碳纖維和熱塑性復合材料混合的定向排列處理裝置的系統(tǒng)原理圖。

具體實施方式

現(xiàn)結合附圖對本發(fā)明的具體實施例進行詳細描述。

如圖1、圖2和圖3所示，一種短切碳纖維和熱塑性復合材料混合的定向排列處理裝置，其特征在于，包括熱熔加熱裝置、氣壓擠出裝置、非對稱式均勻攪拌裝置、短碳納米管纖維極化處理裝置和自動盤絲裝置；該設備所有的裝置全部安裝在工作臺1上，工作臺1要求有良好的隔熱性能，所有的裝置的工作均由主控制器2控制和配電。

所述熱熔加熱裝置是由熔料腔密封蓋6、熔料腔體8、加熱管29和熱電偶30組成，所述加熱管29安裝在熔料腔體8的底部，熔料腔體8的溫度通過熱電偶30進行檢測，并將溫度信號傳遞到主控制器2上，主控制器2將檢測溫度信號和輸入參數(shù)進行比較來確定加熱管29是否需要加熱，熔料腔密封蓋6安裝在熔料腔體8的頂端以實現(xiàn)保溫作用，倘若保溫效果不明顯，可在熔料腔體8外包裹石棉。

所述氣壓擠出裝置是由氣動系統(tǒng)3、消聲器4、氣路管道5、熔料腔密封蓋6、攪拌電機7、熔料腔體8、調整墊片31、錐口導套32、彈性密封墊塊33、出絲導管28、壓緊螺母34、調整墊片35、導管密封墊36和轉接彎管37組成，所述氣路管道5將氣動系統(tǒng)3和熔料腔體8實現(xiàn)氣路連接，消聲器4以管螺紋的形式連接在氣動系統(tǒng)3的出氣口上，在氣壓擠出的過程中，氣動系統(tǒng)3得到主控制器2氣壓控制信號，通過氣路管道5對熔料腔體8進行氣體加壓處理，通過熔料腔密封蓋6和腔蓋密封墊圈21實現(xiàn)熔料腔體8的密封，攪拌電機7的軸部通過電機軸用密封圈17實現(xiàn)密封；所述調整墊片31位于熔料腔體8和轉接彎管37之間，錐口導套32和轉接彎管37通過螺紋連接，彈性密封墊塊33位于錐口導套32和轉接彎管37之間，所述出絲導管28嵌在壓緊螺母34上，壓緊螺母34和轉接彎管37螺紋連接，調整墊片35和導管密封墊36均安裝在壓緊螺母34和轉接彎管37之間。當氣壓達到預先設定值時，并且保證絲材連續(xù)擠出和擠出的絲材剛好固化時，主控制器2將控制氣動系統(tǒng)3實現(xiàn)動態(tài)保壓處理。在擠出過程中，熔融狀態(tài)的熱塑性復合材料在擠出管道中是穩(wěn)定流通的。

所述非對稱式均勻攪拌裝置是由攪拌電機7、電機緊固處螺栓和密封墊16、電機軸用密封圈17、電機軸與聯(lián)軸器連接處的緊定螺釘18、聯(lián)軸器19、聯(lián)軸器與攪拌軸連接處的定位銷20、攪拌軸22、開口銷23、非對稱攪拌板24和非對稱細篩孔板25組成；所述攪拌電機7通過電機緊固處螺栓和密封墊16安裝在熔料腔密封蓋6上，電機軸用密封圈17安裝在攪拌電機7的轉軸上并且位于熔料腔密封蓋6密封槽中，攪拌電機7的轉軸和聯(lián)軸器19通過緊定螺釘18連接，聯(lián)軸器19和攪拌軸22通過定位銷20進行連接，非對稱攪拌板24和非對稱細篩孔板25均通過開口銷23與攪拌軸22連接。攪拌機構的動力是由攪拌電機7提供，攪拌電機7的動力通過聯(lián)軸器19傳遞給攪拌軸22，從而使得攪拌軸22上的非對稱攪拌板24和非對稱式細篩孔板25同步轉動，使得熔料腔8中的短切碳纖維和熱塑性復合材料充分攪拌。

參照圖3和圖4，在短碳納米管纖維極化處理裝置中，對轉接彎管37末端處均勻的短切碳纖維和熱塑性復合材料混合物進行高壓電場極化處理。圖3中，緊固鐵氧體38和電場發(fā)射天線39通過螺紋進行連接，線圈隔離套40和電場發(fā)射器底座41通過六角螺栓44進行緊固，初級磁線圈42安裝在線圈隔離套40上并且兩端均接在組控制器2上，次級磁線圈43安裝在緊固鐵氧體38上并且一端接電場發(fā)射天線39另一端接主控制器2。在控制器2的接口上，次級線圈43的一端和導電天線39連接，另一端接地，初級線圈42和次級線圈43形成電磁耦合，且初級線圈42的兩端和離子脈沖發(fā)射器連接。在耦合的發(fā)大作用下，導電天線39作為陽極產生較高的電勢。在天線39的電場作用下，熔融狀態(tài)的混合物中短切碳纖維可瞬間極化，并保持首尾相接的線性排列狀態(tài)，從而完成各項同性的處理，提高擠出絲材的打印性能。

參照圖4可知，初級線圈42和次級線圈43的耦和電路形式以及處均勻的短切碳纖維和熱塑性復合材料混合物中短纖維的碳納米管的極化排列形式。

參照圖3和圖4可知，在具體極化的過程中，調節(jié)天線39作用在轉接彎管37末端的電場強度的大小時，要綜合熔融狀態(tài)熱塑性復合材料的粘度和氣壓擠出的流動速度來確定，通過優(yōu)化確定電場的矢量關系。在轉接彎管37的選材過程中一定要避免選用導電的金屬材料以防出現(xiàn)內部的電場的靜電屏蔽。這里轉接彎管37可選用一些陶瓷復合材料。

繼續(xù)參照圖1和圖2，所述自動盤絲裝置是由盤絲電機9、卷筒軸套26、卷筒10、擠出絲材27、盤絲裝置底座11、軸向撥塊12、氣缸13、氣動系統(tǒng)3、第一氣缸管路14以及第二氣缸管路15組成；所述盤絲電機9和卷筒軸套26過盈配合，卷筒軸套26和卷筒10采用過渡配合進行連接，擠出絲材27纏繞在卷筒10上，盤絲電機9安裝在盤絲裝置底座11上，盤絲裝置底座11安裝在工作臺1上，軸向撥塊12安裝在氣缸13的軸端并且軸向撥塊12的撥叉卡在卷筒10上，氣缸13安裝在工作臺1上，第一氣缸管路14以及第二氣缸管路15均安裝在氣動系統(tǒng)3和氣缸13的配氣孔上。卷筒10的旋轉動力是由盤絲電機9提供，且內部連接存在周向定位以保證轉矩傳遞。卷筒10的軸向往復移動是通過軸向撥塊12進行控制，軸向撥塊12和氣缸13的桿軸端通過四方面進行形面連接，當卷筒10要取出時，通過擰松撥動軸向撥塊12實現(xiàn)轉向避讓。氣缸13通過第一氣缸管路14以及第二氣缸管路15和氣動系統(tǒng)3實現(xiàn)氣路連接。第一氣缸管路14和第二氣缸管路15不斷切換進、出氣路，以實現(xiàn)卷筒10的往復移動，以確保絲材27能夠均勻地盤繞在卷筒10上。盤絲電機9的轉速和氣缸13的氣流量均由主控制器2進行控制，主控制器2的控制是通過用戶交互式地輸入絲材特性參數(shù)和卷筒規(guī)格尺寸匹配計算后實現(xiàn)。

繼續(xù)參照圖2，在熔料腔體8中，承料面為錐面，這樣對粘度較大的熔融狀態(tài)的熱塑性復合材料具有一定的導向性，在內部氣壓的作用下容易實現(xiàn)熱塑性復合材料的擠出。

繼續(xù)參照圖2，在熔料腔體8中，可以實現(xiàn)最大規(guī)格為直徑180mm和高200mm的短切碳纖維和熱塑性復合材料材料的混合空間，其熔料腔可實現(xiàn)3D打印碳纖維材料結構件的預先絲材優(yōu)化處理，這樣便可以進行FDM高精度碳纖維結構件成形，并且易于實現(xiàn)碳纖維材料成形的柔性化。

參照圖5，整個裝置的工作過程如下：

確定所選材料的相關參數(shù)（熱塑性復合材料的玻璃化轉變溫度、熔融狀態(tài)下的粘度以及短切碳纖維的目數(shù)）、卷筒的規(guī)格參數(shù)和預設定的氣壓值，然后將以上這些參數(shù)通過鍵盤或者觸摸鍵輸入到主控制器2中，這時交互顯示器會顯示主控制器2輸入的參數(shù)值和運算處理的實時顯示工作參數(shù)值（熔料腔氣壓和溫度值、盤絲速度和絲材收集長度值）。設定完參數(shù)后，將短切碳纖維和熱塑性復合材料的粉末原料均勻堆積在熔料腔體8中。然后合上熔料腔密封蓋6，接著按一下主控制器2的啟動按鈕，主控制器2對加熱管29進行供電，加熱管29將產生的焦耳熱通過熔料腔體8熱傳導到混合材料中。在加熱的過程中，熱電偶30實時監(jiān)測熔料腔體8中混合材料的溫度，當達到熱塑性復合材料的熔融溫度時，主控制器2通過對加熱管29的供電控制以進行保溫處理。然后，主控制器2對攪拌電機7供電，從而將熔料腔體8中的混合材料均勻攪拌處理。通過主控制器2的延時處理并且保證混合材料均勻攪拌后，主控制器2對氣動系統(tǒng)3進行供電，氣動系統(tǒng)3對熔料腔體8進行加壓處理。當熔料腔體的氣壓傳感器的氣壓反饋值達到理想的擠出工作氣壓時，氣動系統(tǒng)3對熔料腔體8進行保壓處理。在出絲過程中，主控制器2給極化裝置進行供電，從而使得電場發(fā)射天線39產生極化電場，極化電場使得在轉接彎管37內的熔融狀態(tài)的熱塑性復合物中的短切碳纖維產生極化并保持定向排列。當把極化好的短切碳纖維和熱塑性復合物混合后的絲材從出絲導管28氣壓擠出并且手工將出來的絲材預纏繞一小段在卷筒10上后，主控制器2對盤絲電機9進行PWM調速處理，從而確保設定的盤絲電機9的轉速，盤絲電機9帶動卷筒10旋轉從而對擠出絲材進行收集。與此同時，主控制器2控制氣動系統(tǒng)2對氣缸13提供氣壓和換向處理，在第一氣缸管路14以及第二氣缸管路15的氣路換向實現(xiàn)了氣缸13末端的軸向撥塊12的軸向往復移動，軸向撥塊12帶動卷筒往復運動從而實現(xiàn)擠出的絲材在卷筒10上能夠均勻地收集起來。當絲材全部擠出后，主控制器2依次關閉熱熔加熱裝置、非對稱式均勻攪拌裝置、氣壓擠出裝置、短碳納米管纖維極化處理裝置和自動盤絲裝置。

本發(fā)明的短切碳纖維和熱塑性復合材料混合的定向排列處理裝置，可應用于以上所闡述的高性能FDM絲材的預制，也可應用于定向排列的短切碳纖維和熱塑性復合材料材料極化處理的擠出噴頭設計。