一種連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3d打印的多級送絲打印頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及纖維增強復(fù)合材料3D打印技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印的多級送絲打印頭。
【背景技術(shù)】
[0002]纖維增強復(fù)合材料具有高比強度、高比模量、耐高溫、低密度等一系列的優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航空航天和民用工業(yè)等領(lǐng)域。與短纖維與長纖維增強復(fù)合材料相比，連續(xù)纖維增強復(fù)合材料具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能以及可設(shè)計性能。3D打印技術(shù)具有制造任意復(fù)雜零件以及擁有較好打印自由度的特點，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于連續(xù)纖維增強復(fù)合材料零件的制造能夠制造出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的連續(xù)纖維增強復(fù)合材料零件。連續(xù)纖維3D打印技術(shù)是將連續(xù)纖維與基體材料同時送入3D打印頭擠出復(fù)合材料絲材進(jìn)行3D打印成型零件，目前該項3D打印技術(shù)已初步得到應(yīng)用。
[0003]復(fù)合材料是由增強纖維、基體材料以及兩者之間的界面相組成，增強纖維主要起承載作用，基體材料主要起連接增強相和傳載作用，而界面作為復(fù)合材料另一個重要的微結(jié)構(gòu)，不僅起著連接增強纖維與樹脂基體的“橋梁”作用，也是外加載荷從基體向增強纖維傳遞的“紐帶”。界面的結(jié)構(gòu)、組成、性質(zhì)、結(jié)合方式以及界面粘結(jié)強度對復(fù)合材料的力學(xué)性能以及破壞行為有著重大的影響，因此改善3D打印纖維增強復(fù)合材料的界面性能對于纖維增強復(fù)合材料的進(jìn)一步應(yīng)用發(fā)展具有十分重要的意義。
[0004]然而，目前將3D打印技術(shù)應(yīng)用于連續(xù)纖維增強復(fù)合材料零件的制造仍然存在著以下幾個方面的問題:
[0005]—、不同的基體材料打印出來的復(fù)合材料零件的機械性能不同，例如有些基體材料打印出來的復(fù)合材料零件強度高，但是韌性低，基體材料層與層之間結(jié)合性能差；有些基體材料韌性彈性好，層間結(jié)合性能好，但是零件強度較低；但是目前常規(guī)的單級打印噴頭只能打印一種基體材料，使得打印出來的連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的機械性能單一，不能得到具有良好綜合性能的成型零件；
[0006]二、由于連續(xù)纖維比表面積小、表面活性低，與基體材料的浸潤性差，使得復(fù)合材料界面結(jié)合性能差，從而嚴(yán)重影響了復(fù)合材料整體優(yōu)異性能的發(fā)揮，因此需要對連續(xù)纖維進(jìn)行預(yù)浸漬處理增強纖維與基體材料之間的結(jié)合強度，但是目前的單級打印噴頭很難將預(yù)浸漬處理工藝集成到噴頭中去。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印的多級送絲打印頭，實現(xiàn)高性能連續(xù)纖維增強復(fù)合材料零件3D打印成型。
[0008]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0009]一種連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印的多級送絲打印頭，包括固定于一級加熱塊3上表面的纖維導(dǎo)管1，纖維導(dǎo)管I內(nèi)孔道形成纖維通道，一級喉管6固定于一級加熱塊3 —偵牝一級喉管6內(nèi)孔道形成一級內(nèi)孔道，高分子材料9從一級內(nèi)孔道穿過進(jìn)入一級加熱塊3熔融腔內(nèi)；
[0010]—級加熱塊3固定于二級加熱塊4上方，二級喉管7固定于二級加熱塊4 一側(cè)，二級喉管7內(nèi)孔道形成二級內(nèi)孔道，高性能熱塑性材料10從二級內(nèi)孔道穿過進(jìn)入二級加熱塊4熔融腔內(nèi)；
[0011]以此相同的結(jié)構(gòu)類推，前面一級的加熱塊固定于后面一級加熱塊上，最終所有的加熱塊固定于末級加熱塊5上面，末級喉管8固定于末級加熱塊5 —側(cè)，末級喉管8內(nèi)孔道形成末級內(nèi)孔道，末級高性能熱塑性材料11從末級孔道穿過進(jìn)入末級加熱塊5熔融腔內(nèi)，噴嘴12固定于末級加熱塊5下表面。
[0012]所述的高分子材料9為柔性PLA或柔性ABS，高性能熱塑性材料10或末級高性能熱塑性材料11采用PEEK或ABS。
[0013]所述多級送絲3D打印頭的使用方法，包括下列步驟:
[0014]I)將多級送絲3D打印頭安裝到3D打印機中，并依次裝入高分子材料9、各級高性能熱塑性材料與連續(xù)纖維1，依次為各級加熱塊提供電源加熱；
[0015]2)高分子材料9通過一級喉管6內(nèi)孔道形成的一級內(nèi)孔道，在一級加熱塊3加熱下成為熔融態(tài)高分子材料15進(jìn)入到一級加熱塊3中的熔融腔內(nèi)；
[0016]3)連續(xù)纖維束2通過纖維導(dǎo)管I內(nèi)孔道形成的纖維通道，首先與熔融態(tài)高分子材料15復(fù)合在一起形成一級包覆完成預(yù)浸漬處理，二者從一級加熱塊3出口擠出；
[0017]4)高性能熱塑性材料10通過二級喉管7形成的二級內(nèi)孔道，在二級加熱塊4加熱下成為熔融態(tài)高性能熱塑性材料14進(jìn)入到二級加熱塊4的熔融腔內(nèi)，并與由一級加熱塊3出口擠出的完成一級包覆的復(fù)合纖維束復(fù)合在一起完成二級包覆從二級加熱塊4出口擠出；
[0018]5)以此類推，各級熔融態(tài)的基體材料通過各級內(nèi)孔道進(jìn)入各級加熱塊中加熱成為熔融態(tài)并與從上一級加熱塊出口擠出的復(fù)合纖維束復(fù)合在一起完成此級包覆進(jìn)入到下一級加熱塊中，最終在末級加熱塊5中與熔融態(tài)高性能熱塑性材料13復(fù)合完成整個包覆過程;
[0019]6)完成各級包覆的復(fù)合纖維束進(jìn)入噴嘴12中，從噴嘴12中擠出連續(xù)纖維增強多基體復(fù)合材料絲材，隨著3D打印機的打印過程，連續(xù)纖維增強多基體復(fù)合材料絲材按照3D打印方法成型零件。
[0020]本發(fā)明的有益效果:采用多級送絲打印頭，可以很好地將連續(xù)纖維用基體材料進(jìn)行多級包覆，第一級包覆采用具有較低熔融指數(shù)且與纖維浸潤性好的高分子材料(如柔性PLA、柔性ABS等)實現(xiàn)對連續(xù)纖維的預(yù)浸漬處理，增強連續(xù)纖維與基體材料的界面結(jié)合性能；從第二級包覆開始依次采用高性能熱塑性材料(如PEEK、ABS等)作為基體，最終噴頭擠出連續(xù)纖維增強多基體復(fù)合材料絲材，實現(xiàn)高性能連續(xù)纖維增強復(fù)合材料零件3D打印成型。不僅能得到具有良好綜合性能的連續(xù)纖維增強復(fù)合材料零件，同時還能增強連續(xù)纖維與基體材料的界面結(jié)合性能，提高連續(xù)纖維增強復(fù)合材料零件的整體性能。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明多級送絲3D打印頭整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2是本發(fā)明兩級送絲3D打印頭整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3是本發(fā)明兩級送絲3D打印頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0025]參照圖1，一種連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印的多級送絲打印頭，包括固定于一級加熱塊3上表面的纖維導(dǎo)管1，纖維導(dǎo)管I內(nèi)孔道形成纖維通道，一級喉管6固定于一級加熱塊3 —側(cè)，一級喉管6內(nèi)孔道形成一級內(nèi)孔道，具有較低熔融指數(shù)且與纖維浸潤性好的高分子材料9 (如柔性PLA、柔性ABS等)從一級內(nèi)孔道穿過進(jìn)入一級加熱塊3熔融腔內(nèi)；
[0026]—級加熱塊3固定于二級加熱塊4上方，二級喉管7固定于二級加熱塊4 一側(cè)，二級喉管7內(nèi)孔道形成二級內(nèi)孔道，高性能熱塑性材料1