一种长丝碳纤维3D打印线材的制备系统及方法

本发明属于长丝碳纤维3d打印线材
技术领域：
，具体涉及一种长丝碳纤维3d打印线材的制备系统及方法。
背景技术：
：碳纤维具有重量轻、比强度大、模量高、耐热性高；化学稳定性好，除硝酸等少数强酸处，几乎对所有药品均稳定，以碳纤维为增强剂的复合材料具有比钢强、比铝轻的特性，是一种目前最受重视的高性能材料之一。传统碳纤维复合材料的制备方法是模压和压罐成型，虽然其中碳纤维含量较高，树脂浸润均匀，但是受模具制备影响，对一些复杂零件的成型很难，而3d打印可以打印各种复杂的零配件，是目前发展迅速的一种成型方法。碳纤维长丝3d打印复合材料具有密度低、机械强度高、电化学活性较低、耐腐蚀、抗老化性能卓越和使用寿命长等特点，在环境温度要求高，材料物理稳定性能好的场合，碳纤维长丝复合材料具有不可替代的优势。一般而言材料的强度比越高，成型件的自重越小；材料的模量比越高，成型件的刚度越大。碳纤维长丝复合材料兼具上述优异性能，因此其在航空航天、无人机、汽车工业、国防、体育器材等领域均有广泛的应用前景。传统碳纤维3d打印工艺是将碳纤维展丝之后送入树脂熔融模头中，并施加一定的传动力，将树脂均匀分散到碳纤维内部，然后通过传送装置进行打印，但是其一长丝碳纤维直径较小，树脂粘度较大，二者之间的界面能垒较高，树脂很难在纤维之间充分浸润，其二是碳纤维直接在打印模头位置与尼龙等树脂复合，对打印硬件要求更高。技术实现要素：本发明的主要目的在于提供一种长丝碳纤维3d打印线材的制备系统及方法，以克服现有技术中存在的不足。为实现前述发明目的，本发明实施例采用的技术方案包括：本发明实施例提供一种长丝碳纤维3d打印线材的制备方法，包括：使长丝碳纤维原丝从尼龙溶液中连续通过，并使尼龙溶液充分浸润所述长丝碳纤维原丝，获得浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维；使浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维连续从至少一拉丝模中通过，之后进行干燥和热处理，获得长丝碳纤维3d打印线材。本发明实施例还提供一种长丝碳纤维3d打印线材的制备系统，包括：放线装置，用于提供长丝碳纤维原丝；浸渍槽，用于盛装尼龙溶液，且使所述长丝碳纤维原丝能够被所述尼龙溶液充分浸润，获得浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维；拉丝机构，包括至少一拉丝模，所述拉丝模可供所述浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维通过；干燥装置，用于对从拉丝机构中通过的、浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维进行干燥处理，以获得尼龙/长丝碳纤维复合线材；热处理装置，用于对所述尼龙/长丝碳纤维复合线材进行热处理，从而形成长丝碳纤维3d打印线材；和/或，所述浸渍槽上配合密封封盖。本发明实施例还提供一种长丝碳纤维3d打印线材的制备方法，包括：提供前述的长丝碳纤维3d打印线材的制备系统；将连续的长丝碳纤维原丝从放线装置上引出，且使长丝碳纤维原丝连续从盛装于浸渍槽内的尼龙溶液中通过，并使尼龙溶液充分浸润长丝碳纤维原丝，获得浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维；使浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维连续从所述拉丝机构内的拉丝模中通过，之后通过干燥装置，获得尼龙/长丝碳纤维复合线材；使尼龙/长丝碳纤维复合线材从热处理装置中通过，获得长丝碳纤维3d打印线材；以收卷装置收集所述长丝碳纤维3d打印线材。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：(1)本发明长丝碳纤维3d打印线材的制备系统及方法，把柔软的碳纤维通过尼龙溶液，再进行热处理，充分保证了尼龙在碳纤维中分散均匀的同时，也使柔软的碳纤维具有了刚度，可以像普通的线材一样通过打印机进行打印，整个过程中能耗较低，且制备的线材方便打印，在打印过程中易与尼龙基材接合。(2)本发明长丝碳纤维3d打印线材的制备系统及方法，其中，使浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维通过拉丝模的操作，一方面可以将多余的尼龙溶液去除，另一方面还可以调整纤维的直径，此外还可以通过挤压作用使尼龙溶液更为均匀充分的渗入纤维内部。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本申请一实施方式中长丝碳纤维3d打印线材的制备系统的结构示意图。图2是本申请一实施方式中长丝碳纤维3d打印线材的sem图。附图标记说明：1、放线装置，2、浸渍槽，3、拉丝模，4、干燥装置，5、热处理装置，6、拉丝模，7、收卷装置。具体实施方式通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。鉴于现有技术中，直接让碳纤维与树脂在打印机头进行混合打印，对打印机硬件要求较高；同时，将碳纤维与树脂在打印机头直接通过熔融法混合，由于存在界面作用，尼龙无法在碳纤维中充分分散均匀，本案发明人经过长期研究，提出了一种长丝碳纤维3d打印线材的制备系统及方法，把柔软的碳纤维通过尼龙溶液，再进行热处理，充分保证了尼龙在碳纤维中分散均匀。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。本发明实施例的一个方面提供了一种长丝碳纤维3d打印线材的制备方法，包括：使长丝碳纤维原丝从尼龙溶液中连续通过，并使尼龙溶液充分浸润所述长丝碳纤维原丝，获得浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维；使浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维连续从至少一拉丝模中通过，之后进行干燥和热处理，获得长丝碳纤维3d打印线材。在一些优选实施例中，在所述尼龙溶液中设置多个滚轮，并使长丝碳纤维原丝从所述多个滚轮中依次通过，直至使尼龙溶液充分浸润所述长丝碳纤维原丝。在一些优选实施例中，所述长丝碳纤维3d打印线材的制备方法，还包括：将所述尼龙溶液盛装于密封容器中，并使长丝碳纤维原丝从所述尼龙溶液中通过。在一些优选实施例中，所述长丝碳纤维原丝的型号为1k-12k，所述拉丝模的直径为400-1000μm，所述尼龙溶液包括尼龙6和溶剂；优选的，所述尼龙溶液包括按照重量份计算的如下组分：80-90份溶剂和10-20份尼龙6。在一些优选实施例中，所述长丝碳纤维3d打印线材的制备方法，包括：通过鼓风设备对从拉丝模中通过的、浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维进行干燥处理。在一些优选实施例中，所述长丝碳纤维3d打印线材的制备方法，包括：以250℃-300℃的温度对经干燥处理后所获得的尼龙/长丝碳纤维复合线材进行热处理，使尼龙在所述线材中熔融浸润，从而形成所述长丝碳纤维3d打印线材。在一些优选实施例中，所述长丝碳纤维3d打印线材的制备方法，还包括：以1-25m/min的收卷速度对所获长丝碳纤维3d打印线材进行收卷。本发明的另一个方面提供了一种长丝碳纤维3d打印线材的制备系统，包括：放线装置，用于提供长丝碳纤维原丝；浸渍槽，用于盛装尼龙溶液，且使所述长丝碳纤维原丝能够被所述尼龙溶液充分浸润，获得浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维；拉丝机构，包括至少一拉丝模，所述拉丝模可供所述浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维通过；干燥装置，用于对从拉丝机构中通过的、浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维进行干燥处理，以获得尼龙/长丝碳纤维复合线材；热处理装置，用于对所述尼龙/长丝碳纤维复合线材进行热处理，从而形成长丝碳纤维3d打印线材。在一些优选实施例中，所述浸渍槽上配合密封封盖。在一些优选实施例中，所述的长丝碳纤维3d打印线材的制备系统，其特征在于还包括收卷装置，用于收集所述长丝碳纤维3d打印线材。本发明实施例的另一个方面还提供了一种长丝碳纤维3d打印线材的制备方法，包括：提供前述的长丝碳纤维3d打印线材的制备系统；将连续的长丝碳纤维原丝从放线装置上引出，且使长丝碳纤维原丝连续从盛装于浸渍槽内的尼龙溶液中通过，并使尼龙溶液充分浸润长丝碳纤维原丝，获得浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维；使浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维连续从所述拉丝机构内的拉丝模中通过，之后通过干燥装置，获得尼龙/长丝碳纤维复合线材；使尼龙/长丝碳纤维复合线材从热处理装置中通过，获得长丝碳纤维3d打印线材；以收卷装置收集所述长丝碳纤维3d打印线材。作为本发明具体实施时，本发明实施例长丝碳纤维3d打印线材的制备方法，包括：(1)先将80-90份甲酸，10-20份尼龙6加入到容器中，在通风橱柜里进行机械搅拌；搅拌速度200-300r/min，搅拌时间约为60-120分钟；待尼龙6充分溶于甲酸中；(2)将搅拌完成的尼龙6溶解放入浸渍槽中，由于甲酸易挥发，需用密封盖盖好，之后让长丝碳纤维原丝通过浸渍槽中的滚轮，使尼龙6溶液充分浸润长丝碳纤维；(3)为控制长丝碳纤维打印线材的直径，可让浸润过溶液的长丝碳纤维线材通过合适的拉丝模，长丝碳纤维型号可以为1k-12k,拉丝模直径400-1000μm，过滤多余的溶液，再通过干燥装置，风干长丝碳纤维上已有的甲酸，最后过热处理装置，加热温度250℃-300℃，尼龙在线材中熔融浸润，从而得到尼龙在长丝碳纤维中分布均匀的3d打印线。本发明实施例提供的长丝碳纤维3d打印线材的制备系统及方法，把柔软的碳纤维通过尼龙溶液，再进行热处理，充分保证了尼龙在碳纤维中分散均匀的同时，也使柔软的碳纤维具有了刚度，可以像普通的线材一样通过打印机进行打印，整个过程中能耗较低，且制备的线材方便打印，在打印过程中易与尼龙基材接合。以下结合实施例进一步说明本发明，实施例中所用的原料均为市售产品。实施例1参阅图1，本发明的一个实施例提供的一种长丝碳纤维3d打印线材的制备系统，包括放线装置1、浸渍槽2、拉丝模3、干燥装置4、热处理装置5、拉丝模6和收卷装置7，连续的长丝碳纤维原丝被从放线装置1上引出后依次通过浸渍槽2、拉丝模3、干燥装置4、热处理装置5、拉丝模6，再被收卷装置7收卷。其中，放线装置1，用于提供长丝碳纤维原丝；浸渍槽2，用于盛装尼龙溶液，且浸渍槽2上配合密封封盖，并使长丝碳纤维原丝能够被尼龙溶液充分浸润，获得浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维；拉丝模3和拉丝模6可供浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维通过；干燥装置4，用于对从拉丝模3中通过的、浸润有尼龙溶液的长丝碳纤维进行干燥处理，以获得尼龙/长丝碳纤维复合线材；热处理装置5，用于对尼龙/长丝碳纤维复合线材进行热处理，从而形成长丝碳纤维3d打印线材。实施例2本发明实施例长丝碳纤维3d打印线材的制备方法，包括：(1)先将80份甲酸，20份尼龙6加入到容器中，在通风橱柜里进行机械搅拌；搅拌速度200r/min，搅拌时间约为120分钟；待尼龙6充分溶于甲酸中；(2)将搅拌完成的尼龙6溶解放入浸渍槽2中，由于甲酸易挥发，需用密封盖盖好，之后让放线装置1上1k的长丝碳纤维原丝通过浸渍槽2中的滚轮，使尼龙6溶液充分浸润长丝碳纤维；(3)为控制长丝碳纤维打印线材的直径，可让浸润过溶液的长丝碳纤维线材通过直径为的400μm的拉丝模3，再通过干燥装置4，风干长丝碳纤维上已有的甲酸，最后过热处理装置5，加热温度250℃，尼龙在线材中熔融浸润，并通过拉丝模6拉丝，从而得到长丝碳纤维3d打印线材，如图2所示，尼龙在长丝碳纤维中分布均匀。测试表明本发明实施例制得的长丝碳纤维3d打印线材性能参数如下：直径(mm)尼龙含量(wt％)拉伸强度(gpa)0.34331.11实施例3本发明实施例长丝碳纤维3d打印线材的制备方法，包括：(1)先将90份甲酸，10份尼龙6加入到容器中，在通风橱柜里进行机械搅拌；搅拌速度300r/min，搅拌时间约为60分钟；待尼龙6充分溶于甲酸中；(2)将搅拌完成的尼龙6溶解放入浸渍槽2中，由于甲酸易挥发，需用密封盖盖好，之后让放线装置1上12k的长丝碳纤维原丝通过浸渍槽2中的滚轮，使尼龙6溶液充分浸润长丝碳纤维；(3)为控制长丝碳纤维打印线材的直径，可让浸润过溶液的长丝碳纤维线材通过直径为的1000μm的拉丝模3，再通过干燥装置4，风干长丝碳纤维上已有的甲酸，最后过热处理装置5，加热温度300℃，尼龙在线材中熔融浸润，并通过拉丝模6拉丝，从而得到长丝碳纤维3d打印线材。测试表明本发明实施例制得的长丝碳纤维3d打印线材性能参数如下：直径(mm)尼龙含量(wt％)拉伸强度(gpa)1.4350.97实施例4本发明实施例长丝碳纤维3d打印线材的制备方法，包括：(1)先将85份甲酸，15份尼龙6加入到容器中，在通风橱柜里进行机械搅拌；搅拌速度250r/min，搅拌时间约为90分钟；待尼龙6充分溶于甲酸中；(2)将搅拌完成的尼龙6溶解放入浸渍槽2中，由于甲酸易挥发，需用密封盖盖好，之后让放线装置1上6k的长丝碳纤维原丝通过浸渍槽2中的滚轮，使尼龙6溶液充分浸润长丝碳纤维；(3)为控制长丝碳纤维打印线材的直径，可让浸润过溶液的长丝碳纤维线材通过直径为的700μm的拉丝模3，再通过干燥装置4，风干长丝碳纤维上已有的甲酸，最后过热处理装置5，加热温度275℃，尼龙在线材中熔融浸润，并通过拉丝模6拉丝，从而得到长丝碳纤维3d打印线材。测试表明本发明实施例制得的长丝碳纤维3d打印线材性能参数如下：直径(mm)尼龙含量(wt％)拉伸强度(gpa)0.9350.99对照例让放线装置1上1k的长丝碳纤维原丝送入树脂熔融模头中，并施加一定的传动力，将树脂均匀分散到碳纤维内部，然后通过传送装置进行打印，从而得到长丝碳纤维3d打印线材。测试表明本发明对照例制得的长丝碳纤维3d打印线材性能参数如下：直径(mm)尼龙含量(wt％)拉伸强度(gpa)0.4450.95由实施例与对照例相比同样为1k碳纤维，使用溶液法制备的线材直径更小，更有利于进行精细化加工打印，相对来说，溶液法对碳纤维原丝破坏力度小，所制备的线材拉伸强度更大。本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。在本发明案通篇中，在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处，预期本发明教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成，且本发明教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。除非另外具体陈述，否则术语“包含(include、includes、including)”、“具有(have、has或having)”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。当前第1页12