一种连续纤维增强复合材料3D打印机及其打印方法与流程

本发明涉及纤维增强复合材料3d打印技术领域，具体涉及一种连续纤维增强复合材料3d打印机及其打印方法。

背景技术：

目前，市面上的fdm3d打印机的使用耗材主要是一些热塑性耗材，如：pla、abs、pet等，该类耗材具有打印制件工艺性能良好，但强度较低的特点；但随着3d打印技术的发展，亟需突破fdm3d打印机只能打印上述热塑料耗材的技术壁垒，以满足不同行业对打印制件的要求；尤其是在航空航天、国防军事、汽车赛车、机器人和医疗等领域，打印制件需要兼具表面效果好和强度高的性能；因此，开发高强度的纤维增强复合材料以及可以使用该材料的3d打印机成为这个行业的研发趋势；纤维增强复合材料根据纤维的长度尺寸可以分为短切纤维增强复合材料、长切纤维增强复合材料以及连续纤维增强复合材料，其中短切纤维增强复合材料和长切纤维增强复合材料的制造技术较为成熟，但其纤维对制件力学性能的提升非常有限，难以满足工业对高性能纤维复合材料的需求，因此，连续纤维增强复合材料受到了越来越多的关注。

为此，市面上出现了可以打印连续纤维增强复合材料的3d打印机，该种3d打印机有两种形式，第一种是在打印前，制备中间含有连续纤维的打印卷材，按照fdm3d打印机的形式进行打印，但这种打印卷材的制造工艺大多需要模具，工艺过程复杂，生产成本高，生产周期也较长，大大阻碍了连续纤维增强复合材料的应用；第二种是采用编织的原理，将连续纤维来回编织排布在熔融的基体材料上，该种方式的连续纤维仅可以在二维平面内进行设计，得到的制件在分层方向上的力学性能低于其他方向，呈现出各向异性，连续纤维的利用率较低；另外，这种方式制备的3d打印制件存在连续纤维与基体材料结合不好、容易分离的情形，影响3d打印制件的强度。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种连续纤维增强复合材料3d打印机及其打印方法，减免了在打印前生产高强度复合耗材的复杂流程，在打印过程中实现连续纤维与基体材料的结合，提高了连续纤维与基体材料的结合度。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种连续纤维增强复合材料3d打印机，包括喷头、树脂箱、紫外光源、连续纤维盒和基体材料盒，所述树脂箱内设有上浆液，所述连续纤维盒内设有连续纤维，所述基体材料盒内设有基体材料；所述上浆液用于浸润所述连续纤维，所述紫外光源用于固化上浆液，所述喷头用于使打印材料通过。

一种连续纤维增强复合材料3d打印机的打印方法，包含如下步骤：步骤一：所述连续纤维通过上浆液进行浸润；步骤二：经过步骤一的连续纤维在紫外光源的照射下，连续纤维表面的上浆液固化，连续纤维表面发生交联反应；步骤三：经过步骤二的连续纤维与所述基体耗材进入喷头，所述基体耗材高温熔融裹覆于所述经过步骤二的连续纤维周围，形成连续纤维增强复合材料；步骤四：所述连续纤维增强复合材料从喷头挤出，根据3d打印机预设的模型数字信息进行打印成型。

作为优选，为了使制件获得更好的表面效果以及扩大用户的选材范围，所述基体材料为热塑性耗材。

作为优选，为了使所述连续纤维的表面浸润更均匀以及便于用户操作，所述浸润方式为喷淋或刷涂。

有益效果：

由以上技术方案可知，该发明的技术方案提供了一种连续纤维增强复合材料3d打印机及其打印方法，无需在打印前耗费大量的时间、人力、财力成本制造高强度复合耗材，在打印过程中实现了连续纤维与基体材料的结合；增强了连续纤维的力学性能，提高连续纤维与基体材料的结合力，从而获得高强度打印制件。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1为本发明一种连续纤维增强复合材料3d打印机的工作示意图。

图2为本发明一种连续纤维增强复合材料3d打印方法的工作流程图。

图中：1-基体材料盒，2-连续纤维盒，3-树脂箱，4-基体材料，5-连续纤维，6-喷头，7-紫外光源。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

发明人考虑到目前fdm3d打印机可以满足各行业的定制制件的打印需求，但其普通打印所使用的热塑性耗材强度不够；因此，考虑可以在热塑性耗材中加入连续纤维来增强最终制件的强度；市面上有专门生产连续纤维与热塑性耗材结合的高强度复合材料，该复合材料的生产流程复杂且成本较高；3d打印机打印时可直接使用已成型的该复合材料打印生成所需制件；该过程中，复合材料中连续纤维本身表面的自由度就较高，在打印喷头高温二次熔融复合材料的情况下，复合材料中的连续纤维与热塑性耗材的结合度发生了改变，二者变得易于分离，在制件中则表现为强度不高；因此，如何降低高强度复合材料中连续纤维表面的自由度，增强打印制件中连续纤维与热塑性耗材的结合度是发明人考虑的技术问题之一。

另外，高强度复合材料除了上述打印方式，市面上还提供了一种采用编织与打印相结合的方式进行高强度复合材料制件，这种打印方式下的打印机提供了两个喷头，一个喷头打印热塑性耗材，另一个喷头采用编织的方式在熔融的热塑性耗材上进行排布；该种打印方式下的制件中，连续纤维在整个制件中分布不均，连续纤维与热塑性耗材在分层上的力学性能较差，在制件中则表现为强度不高；因此，如何提高连续纤维的利用率、实现连续纤维在成型制件中的均匀分布、增强连续纤维与热塑性耗材在分层上的力学性能也是发明人考虑的技术问题之一。

为了避免连续纤维高强度复合材料复杂的生产流程、减少生产成本，发明人想开发一款打印机，可以在打印时实现热塑性耗材与连续纤维的同时使用、同时结合挤出，即兼具连续纤维高强度复合材料的生产功能和打印功能的一体机。

想要开发上述一体机，还需要解决的问题是，连续纤维的表面自由度较高，其与热塑性耗材的结合度较差；发明人考虑是否存在相应的上浆液既可以降低连续纤维表面的自由度，又不影响连续纤维与热塑性耗材的熔融结合；因此，确定了光固化树脂作为降低连续纤维表面自由度的上浆液，光固化树脂在紫外光的光照作用下可快速固化成型；选用光固化树脂一方面是基于其能降低连续纤维表面的自由度，固化速度较快，可以减少整个制件的制作时长；另一方面是连续纤维在液体状态下浸润，液态的光固化树脂在紫外光照射下进行交联反应，连续纤维因光固化树脂的包裹得到纤维间的结合，进一步加强了纤维方向的力学性能。

综上，考虑在传统的打印机中添加可以使连续纤维在打印前经过浸润步骤的装置，即存放光固化树脂的树脂箱以及用于使浸润过光固化树脂的连续纤维表面得以固化的紫外光源；得到如下的3d打印机。

参阅图1所示，一种连续纤维增强复合材料3d打印机，包括喷头6、树脂箱3、紫外光源7、连续纤维盒2和基体材料盒1，树脂箱3内设有上浆液，连续纤维盒2内设有连续纤维5，基体材料盒1内设有基体材料4；上浆液用于浸润连续纤维5，紫外光源7用于固化上浆液，喷头6用于使打印材料通过。

需要说明的是，上述所用的光固化树脂只是许多上浆液中的一种优选，在不偏离本发明实质的情况下，只要是可以降低连续纤维5表面自由能，不影响连续纤维5与热塑性耗材结合的上浆液都属于本发明的保护范畴。

上述所用的热塑性耗材也是许多基体材料4中的一类优选材料，只要是能够与连续纤维5结合，并运用到传统的fdm3d打印机中，均可以作为本发明所提及的基体材料4。

上述所用的连续纤维5可以是碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、聚苯咪唑纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚酰亚胺纤维、硼纤维、阻燃纤维和光导纤维等。

另外，考虑到用户在实际使用的过程中便利性、保证连续纤维5浸润光固化树脂的均匀性，作为一种优选方式，用户可以对连续纤维5进行喷淋或刷涂。

参阅图1或图2所示，本发明还公开了上述连续纤维增强复合材料3d打印机的打印方法，该方法包括包含如下步骤。

步骤一s1：连续纤维5通过上浆液进行浸润。

步骤二s2：经过步骤一s1的连续纤维5在紫外光源7的照射下，连续纤维5表面的上浆液固化，连续纤维5表面发生交联反应。

步骤三s3：经过步骤二s2的连续纤维5与基体耗材4进入喷头6，基体耗材4高温熔融裹覆于经过步骤二的连续纤维5周围，形成连续纤维增强复合材料。

步骤四s4：经过步骤三s3的连续纤维增强复合材料从喷头6挤出，根据3d打印机预设的模型数字信息进行打印成型。

以下选用碳纤维、光固化树脂和pla耗材作进一步说明；碳纤维在进入打印喷头6前，经过光固化树脂进行浸润，用户可选择涂刷等方式对碳纤维表面均匀裹覆；之后，将碳纤维置于紫外光下照射，碳纤维表面的光固化树脂发生交联反应，待碳纤维表面固化成型，碳纤维因光固化树脂的包裹得到纤维间的结合，进一步加强了纤维方向的力学性能；之后，经过固化的碳纤维与pla耗材共同进入打印喷头6，pla耗材在打印喷头6高温下熔融，因碳纤维表面具有固态的光固化树脂，碳纤维表面的自由度较低，其与pla耗材可以得到较好的结合；随着pla熔体的下行，碳纤维与pla从喷头6中挤出，按照3d打印机预先设定的数字信息进行打印成型；该打印过程中碳纤维与pla熔体结合，碳纤维均匀分布在成型制件中，成型制件各项力学性能相同。

本发明与现有技术相比，优点在于：提供了一种新的连续纤维增强复合材料的打印机和打印方法，不需要进行连续纤维增强复合材料的二次加工生产，扩大了3d打印的选材范围，可以获得强度更高的打印制件。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。