连续纤维增强复合材料增材制造装置的制作方法

本发明属于增材制造领域，更具体的说，涉及一种连续纤维增强复合材料增材制造装置。

背景技术：

增材制造技术是制造业领域内正在快速发展的一项新兴技术，被称为“具有第三次工业革命重要标志意义的制造技术”，各主要发达国家将其列为战略发展的关键技术。目前，增材制造技术依托多个学科领域尖端技术，在航空航天技术、汽车家电制造生产、生物医药、食品加工等领域得到了一定应用。与传统制造技术相比，增材制造三维快速成型制造技术省略了产品模具的加工制造，从而在时间上极大的缩短了产品的研制周期，提高了生产率和降低生产成本。经济效益与前景方面有非常大的发展潜力，根据国际快速制造行业权威报告《wohlersreport2011》发布的调查结果显示，全球3d打印产业产值在1988年到2010年之间以26.2％的年均速度增长。报告预测，3d打印产业未来仍将会保持着较快地增长速度，到2020年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到52亿美元。在2012年的国际新技术发展趋势调查中，3d打印制造技术居首位。目前，现有的增材制造技术还面临着诸多方面的瓶颈和探索，因此，需要进一步深入研究，扩大其应用领域。

利用增材制造技术打印出的纤维增强复合材料制品，不仅具备高强度、高刚度、质量轻等特点，而且可以控制纤维的分布方向，从而控制制品的性能。纤维增强复合材料的增材制造技术无论是在民用还是军事上都具有重大的意义。例如，利用碳纤维复合材料制作汽车零部件，提升汽车性能并降低油耗；碳纤维复合材料产品涵盖航天光学遥感器的各个部位，如相机镜筒、相机支架、遮光罩、桁架等。依靠打印材料的快速发展和增材制造技术的日益成熟，基于纤维增强复合材料的增材制造技术将会应用到各行各业，推动制造产业的快速发展。

但是目前的连续纤维增强复合材料增材制造技术研究较少，尚处于研发阶段，存在诸多问题。比如，树脂无法充分进入纤维丝带内部，无法将各个纤维丝通过树脂粘结在一起，从而在打印工件内部形成空洞，严重降低了工件的力学性能。此外，连续纤维增强复合材料增材制造容易堵头，从而导致纤维无法出丝或树脂从喷头内部往外溢出。

专利号为201611004458.x的发明专利一种适用于连续纤维增强复合材料增材制造的喷头和专利号为201611026706.0的发明专利一种适用于连续纤维增强复合材料3d打印的喷头均公开了一种适用于连续纤维增强复合材料增材制造的喷头，但是喷头的结构比较复杂，导致喷头尺寸较大，容纳树脂材料的腔体体积较大，此外内头出口与外头出口之间的距离无法调节，无法控制纤维复合材料的对中性。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种连续纤维增强复合材料增材制造装置，喷头结构简单，尺寸较小，可以提高成型精度；此外，内喷头的出口与外喷头的出口之间的竖直距离可调，可以控制纤维复合材料的对中性，改善成型质量；还包括维浸润装置和光源，可以改善纤维与树脂之间的界面粘结质量，进一步提高复合材料的力学性能。

为解决上述技术问题，本发明属于增材制造领域，更具体的说，涉及一种连续纤维增强复合材料增材制造装置，包括连续纤维增强复合材料增材制造喷头、二维运动平台、一维运动平台、工作台、挤丝机构、控制装置、加热装置和温度监测装置，喷头结构简单，尺寸较小，可以提高成型精度；此外，内喷头的出口与外喷头的出口之间的竖直距离可调，可以控制纤维复合材料的对中性，改善成型质量；还包括维浸润装置和光源，可以改善纤维与树脂之间的界面粘结质量，进一步提高复合材料的力学性能。

连续纤维增强复合材料增材制造喷头安装在二维运动平台上，连续纤维增强复合材料增材制造喷头的下方设置有工作台，工作台安装在一维运动平台上，挤丝机构、加热装置和温度监测装置均安装在连续纤维增强复合材料增材制造喷头上并跟随二维运动平台运动，加热装置用于加热连续纤维增强复合材料增材制造喷头，温度监测装置用于测量连续纤维增强复合材料增材制造喷头的温度，控制装置控制二维运动平台、一维运动平台、挤丝机构、加热装置和温度监测装置的工作状态。

所述连续纤维增强复合材料增材制造喷头由外喷头和内喷头组成，所述内喷头螺纹连接在外喷头的内部，所述内喷头的内部设有用于穿纤维丝的内腔ⅱ，所述外喷头的内部设有容纳树脂材料的内腔ⅰ，所述内腔ⅰ与内腔ⅱ同轴，所述外喷头上还设有连通内腔ⅰ的连接孔，所述连接孔位于外喷头的侧面。

作为本技术方案的进一步优化，本发明连续纤维增强复合材料增材制造装置所述外喷头的上端为圆柱体，下端为圆锥体，所述圆柱体上对称设有两个平面，所述连接孔位于其中一个平面上，另一个平面上设有定位孔，所述定位孔为螺纹盲孔。

作为本技术方案的进一步优化，本发明连续纤维增强复合材料增材制造装置所述内喷头为圆柱体，内喷头的上端直径大于下端直径，内喷头的上端设有拧紧头，所述拧紧头的下端设置有挡块，所述内腔ⅱ贯穿内喷头并与内喷头同轴，所述内腔ⅱ为两个圆柱形腔体组成，上端圆柱形腔体的直径大于下端圆柱形腔体的直径，两个圆柱形腔体的连接处为弧形过渡。

作为本技术方案的进一步优化，本发明连续纤维增强复合材料增材制造装置所述内喷头由上喷头和下喷头组成，所述上喷头和下喷头螺纹连接，所述上喷头的内部设有贯穿上喷头的圆柱通孔ⅰ，所述圆柱通孔ⅰ与上喷头同轴，所述下喷头的内部设有贯穿下喷头的圆柱通孔ⅱ，所述圆柱通孔ⅱ与下喷头同轴，所述圆柱通孔ⅰ与圆柱通孔ⅱ同轴，所述圆柱通孔ⅰ的直径大于圆柱通孔ⅱ的直径。

作为本技术方案的进一步优化，本发明连续纤维增强复合材料增材制造装置所述圆柱通孔ⅰ与圆柱通孔ⅱ通过过渡弧形段连接，所述过渡弧形段为光滑弧面。

作为本技术方案的进一步优化，本发明连续纤维增强复合材料增材制造装置所述内喷头的出口位于外喷头之内，所述内喷头的出口与外喷头的出口之间的竖直距离为1-6mm，所述外喷头和内喷头之间设置有弹性垫片。

作为本技术方案的进一步优化，本发明连续纤维增强复合材料增材制造装置还包括纤维浸润装置和光源，所述纤维浸润装置中装有光敏树脂，所述纤维浸润装置用于将光敏树脂渗入纤维束内部，所述光源为紫外激光器，波长350nm，输出功率应为0-200mw可调。

作为本技术方案的进一步优化，本发明连续纤维增强复合材料增材制造装置所述的纤维浸润装置为长方体，纤维浸润装置的内部设置有腔体，腔体内部装有光敏树脂，腔体的内部还设置有多个高低不同的张紧柱，所述张紧柱均位于光敏树脂内，所述纤维浸润装置的一侧连接有挤出头，挤出头上设置有连通腔体内部的拉出通孔。

本发明连续纤维增强复合材料增材制造喷头及打印机的有益效果为：

1.树脂进口位于外喷头的侧面，而不是外喷头的上端，可以有效减小外喷头的直径，从而缩小喷头的尺寸，降低喷头的质量，提高成型精度。

2.喷头仅由外喷头和内喷头组成，喷头结构简单，易于加工并且尺寸较小。

3.内喷头的出口与外喷头的出口之间的竖直距离可调，可以控制纤维复合材料的对中性，改善成型质量。

4.外喷头和内喷头通过螺纹连接，便于拆卸，易于清理堵头。

5.喷头整体尺寸较小，从而减小了容纳树脂材料的腔体体积，不仅可以缩短加热时间还可以防止树脂过多溢出。

6.包括维浸润装置和光源，可以改善纤维与树脂之间的界面粘结质量，进一步提高复合材料的力学性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明连续纤维增强复合材料增材制造装置中连续纤维增强复合材料增材制造喷头的结构示意图。

图2为连续纤维增强复合材料增材制造喷头的主视图。

图3为连续纤维增强复合材料增材制造喷头的左视图。

图4为连续纤维增强复合材料增材制造喷头的仰视图。

图5为连续纤维增强复合材料增材制造喷头的俯视图。

图6为图2中a-a向剖视图。

图7为内壳2的另一种结构示意图。

图8为打印的纤维树脂复合材料的微观形貌图。

图9为内喷头出口与外喷头出口之间的竖直距离对纤维复合材料纤维对中性的影响规律。

图10为含有纤维浸润装置和光源的连续纤维增强复合材料增材制造装置结构示意图。

图11为纤维浸润装置的一种结构示意图。

图12为图11的立体示意图。

图13为加入光敏树脂后打印样件力学性能的对比图。

图中：外喷头1；连接孔1-1；定位孔1-2；内腔ⅰ1-3；内喷头2；拧紧头2-1；挡块2-2；内腔ⅱ2-3；上喷头21；圆柱通孔ⅰ211；挡块ⅰ212；过渡弧形段213；下喷头22；圆柱通孔ⅱ221；纤维浸润装置3；腔体3-1；挤出头3-2；拉出通孔3-2-1；张紧柱3-3；光源4。

具体实施方式

具体实施方式一：

下面结合图1-13说明本实施方式，本发明属于增材制造领域，更具体的说，涉及一种连续纤维增强复合材料增材制造喷头，包括连续纤维增强复合材料增材制造喷头、二维运动平台、一维运动平台、工作台、挤丝机构、控制装置、加热装置和温度监测装置，喷头结构简单，尺寸较小，可以提高成型精度；此外，内喷头的出口与外喷头的出口之间的竖直距离可调，可以控制纤维复合材料的对中性，改善成型质量；还包括维浸润装置和光源，可以改善纤维与树脂之间的界面粘结质量，进一步提高复合材料的力学性能。

连续纤维增强复合材料增材制造喷头安装在二维运动平台上，连续纤维增强复合材料增材制造喷头的下方设置有工作台，工作台安装在一维运动平台上，挤丝机构、加热装置和温度监测装置均安装在连续纤维增强复合材料增材制造喷头上并跟随二维运动平台运动，加热装置用于加热连续纤维增强复合材料增材制造喷头，温度监测装置用于测量连续纤维增强复合材料增材制造喷头的温度，控制装置控制二维运动平台、一维运动平台、挤丝机构、加热装置和温度监测装置的工作状态。连续纤维增强复合材料增材制造喷头由外喷头1和内喷头2组成。其中二维运动平台、一维运动平台、工作台、挤丝机构、控制装置、加热装置和温度监测装置均为现有熔融沉积成型3d打印机的零部件，可以直接选购。本发明就是在现有熔融沉积成型3d打印机的基础上直接更换了打印头，用自行设计的连续纤维增强复合材料增材制造喷头代替了熔融沉积成型3d打印机上的打印头。

所述内喷头2螺纹连接在外喷头1的内部，所述内喷头2的内部设有用于穿纤维丝的内腔ⅱ2-3，所述外喷头1的内部设有容纳树脂材料的内腔ⅰ1-3，所述内腔ⅰ1-3与内腔ⅱ2-3同轴，所述外喷头1上还设有连通内腔ⅰ1-3的连接孔1-1，所述连接孔1-1位于外喷头1的侧面。外喷头1与内喷头2之间通过螺纹连接，可以方便喷头拆卸，当喷头堵塞时便于快速清理。内腔ⅱ2-3位于喷头内部，用于穿过连续纤维丝，树脂材料通过连接孔1-1进入内腔ⅰ1-3，当树脂熔化后会被不断进入的树脂材料挤出并包裹在连续纤维丝的四周，并带动纤维丝不断穿出。内腔ⅰ1-3与内腔ⅱ2-3同轴可以保证纤维丝位于树脂的中心。连接孔1-1位于外喷头1的侧面，而不是位于外喷头1的上端可以有效减小外喷头1的直径，从而缩小喷头的尺寸，降低喷头的质量，喷头的质量越轻，成型精度越高。

具体实施方式二：

下面结合图1-12说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述外喷头1的上端为圆柱体，下端为圆锥体，所述圆柱体上对称设有两个平面，所述连接孔1-1位于其中一个平面上，另一个平面上设有定位孔1-2，所述定位孔1-2为螺纹盲孔。对称设置的两个平面便于外喷头1与导热块固定，也便于加工连接孔1-1和定位孔1-2。连接孔1-1为设有内螺纹的通孔，用于连接喉管。定位孔1-2用于与导热块上的孔配合，从而通过螺钉将导热块与定位孔1-2固定连接，使得外喷头1与导热块固定连接在一起，防止外喷头1移动。

具体实施方式三：

下面结合图1-13说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，所述内喷头2为圆柱体，内喷头2的上端直径大于下端直径，内喷头2的上端设有拧紧头2-1，所述拧紧头2-1的下端设置有挡块2-2，所述内腔ⅱ2-3贯穿内喷头2并与内喷头2同轴，所述内腔ⅱ2-3为两个圆柱形腔体组成，上端圆柱形腔体的直径大于下端圆柱形腔体的直径，两个圆柱形腔体的连接处为弧形过渡。拧紧头2-1便于扳手等工具旋转内喷头2，可以使得内喷头2与外喷头1紧密连接，从而防止树脂从内喷头2与外喷头1连接的缝隙中溢出。挡块2-2便于在外喷头1与内喷头2之间放置弹性垫片。内腔ⅱ2-3的上端圆柱形腔体的直径大于下端圆柱形腔体的直径，便于纤维丝穿入。由于纤维丝是多根细丝组成的纤维束，如果上端直径太小不便于纤维丝穿入，如果下端直径太大，纤维丝容易分散。两个圆柱形腔体的连接处为弧形过渡，便于纤维丝穿入。

具体实施方式四：

下面结合图1-13说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，所述内喷头2由上喷头21和下喷头22组成，所述上喷头21和下喷头22螺纹连接，所述上喷头21的内部设有贯穿上喷头21的圆柱通孔ⅰ211，所述圆柱通孔ⅰ211与上喷头21同轴，所述下喷头22的内部设有贯穿下喷头22的圆柱通孔ⅱ221，所述圆柱通孔ⅱ221与下喷头22同轴，所述圆柱通孔ⅰ211与圆柱通孔ⅱ221同轴，所述圆柱通孔ⅰ211的直径大于圆柱通孔ⅱ221的直径。在打印的过程中，长时间穿入纤维丝会发生纤维丝堵头的情况，而堵头均是发生在直径较小的内喷头2出口。圆柱通孔ⅰ211和圆柱通孔ⅱ221用于穿纤维丝，由于纤维丝是多根细丝组成的纤维束，如果圆柱通孔ⅰ211的直径太小不便于纤维丝穿入，如果圆柱通孔ⅱ221的直径太大，纤维丝容易分散。圆柱通孔ⅰ211和圆柱通孔ⅱ221形成的腔体与内喷头2同轴可以有效保证纤维丝位于正中心。由于内喷头2较长，如果内部出口发生堵塞不容易清理，而且内喷头2分成上喷头21和下喷头22，当堵塞时拧下下喷头22便可以进行快速清理。

具体实施方式五：

下面结合图1-13说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述圆柱通孔ⅰ211与圆柱通孔ⅱ221通过过渡弧形段213连接，所述过渡弧形段213为光滑弧面，从而便于纤维丝穿入，减小纤维丝拉出时所受到的摩擦阻力，从而可以提高纤维复合材料的对中性。

具体实施方式六：

下面结合图1-13说明本实施方式，本实施方式对实施方式一至五作进一步说明，所述内喷头2的出口位于外喷头1之内，所述内喷头2的出口与外喷头1的出口之间的竖直距离为1-6mm，所述外喷头1和内喷头2之间设置有弹性垫片。如图8所示，纤维正常是位于喷头的中心位置，打印出的纤维复合材料中纤维丝应当位于树脂的中间位置，而图中纤维并不是位于树脂的正中间，lb是明显大于la的，这种纤维对中性较差会影响纤维复合材料的成型质量。内喷头2的出口与外喷头1的出口之间的竖直距离过小，会出现纤维丝被拉断的现象，其原因在于内喷头2与工作台之间的距离较小，内喷头2会挤压住纤维丝，而喷头在打印过程中需要不断移动，从而纤维丝也是不断从喷头内拉出的，所受挤压力过大，纤维丝便会被拉断。当内喷头2的出口与外喷头1的出口之间的竖直距离过大时，纤维复合材料的对中性较差，纤维会从树脂中被拉出，导致成型工件失效。从图9中可以看出，随着内喷头2的出口与外喷头1的出口之间的竖直距离增大，纤维对中性的值增大，纤维对中性变差。外喷头1和内喷头2之间设置有弹性垫片，可以实现内喷头2的出口与外喷头1的出口之间的竖直距离的调节，并且不影响外喷头1和内喷头2之间螺纹连接的紧密性。

具体实施方式七：

下面结合图1-13说明本实施方式，本实施方式对实施方式一至五作进一步说明，所述的连续纤维增强复合材料增材制造装置还包括纤维浸润装置3和光源4，所述纤维浸润装置3中装有光敏树脂，所述纤维浸润装置3用于将光敏树脂渗入纤维束内部，所述光源4为紫外激光器，波长350nm，输出功率应为0-200mw可调。纤维浸润装置3用于将光敏树脂渗入到连续纤维丝的内部，使得纤维丝之间均浸润有光敏树脂。待树脂与纤维丝和光敏树脂的复合材料打印到工作台上后，光源4照射已打印的工件，使得包裹在树脂内部并粘结在纤维丝之间的光敏树脂固化。影响纤维与树脂界面粘结质量的因素主要是纤维与树脂的接触面积。

表面浸过光敏树脂的连续纤维丝在连续纤维增强复合材料增材制造喷头中树脂的挤压下会进一步渗入纤维丝之间的缝隙中，从而使得连续纤维丝与光敏树脂的接触面积进一步增大。光敏树脂在紫外光的照射下发生光固化反应，环氧树脂和丙烯酸树脂发生聚合交联形成聚合物，与此同时，纤维表面的某些官能团与树脂基团的官能团之间也会形成稳定的化学键连接，靠主价键力作用将光敏树脂和连续纤维紧密结合起来，形成稳定的界面相。树脂的热容较大，光敏树脂的固化先行完成，形成附着于连续纤维丝丝的连续相。树脂随后固化，两种树脂的聚合物链在界面处形成半互穿的网状结构。树脂与光敏树脂的界面作用机制主要为两相之间的摩擦啮合。

经过光敏树脂改性的连续纤维增强复合材料存在两个界面：光敏树脂与连续纤维界面和树脂与光敏树脂界面。光敏树脂与连续纤维的界面由于增大了两相的接触面积，因此界面粘结质量比树脂与连续纤维界面有改善。而树脂与光敏树脂界面是一个树脂共混界面，具有较高的界面结合强度。因此，光敏树脂改性纤维增强树脂复合材料较未改性复合材料具有更好的界面性能和机械性能，从而进一步改善了纤维与树脂之间的界面粘结质量，提高了复合材料的力学性能。为了论证方案可行性，如图13所示，选择了五种不同参数打印了多组工件进行拉伸测试，测得的拉伸强度均有30％左右的提升。

此外，限制于目前光敏树脂材料在高温下可能发生蒸发，因此可以使用低温熔化的pcl树脂，待日后光敏树脂的性能得到改善，可以适用高温树脂。

具体实施方式八：

下面结合图1-13说明本实施方式，本实施方式对实施方式七作进一步说明，所述纤维浸润装置3为长方体，纤维浸润装置3的内部设置有腔体3-1，腔体3-1内部装有光敏树脂，腔体3-1的内部还设置有多个高低不同的张紧柱3-3，所述张紧柱3-3均位于光敏树脂内，所述纤维浸润装置3的一侧连接有挤出头3-2，挤出头3-2上设置有连通腔体3-1内部的拉出通孔3-2-1。张紧柱3-3可以改善光敏树脂与连续纤维丝之间的浸润程度，挤出头3-2可以使得浸润有光敏树脂的连续纤维丝聚合到一起。

工作原理：在打印之前，向内喷头2内的内腔ⅱ2-3中或圆柱通孔ⅰ211与圆柱通孔ⅱ221所形成的腔体中先穿入连续纤维丝，连续纤维丝从外喷头1的出口穿出。通过外喷头1的连接孔1-1向内腔ⅰ1-3不断送入树脂材料，树脂材料可以是pla树脂、abs树脂、pcl树脂等，树脂材料熔化后从内腔ⅰ1-3的出口挤出，挤出的过程中树脂材料会包裹在连续纤维的四周，形成圆柱状的纤维树脂复合材料并粘结在工作台上，通过工作台和喷头的不断移动实现增材制造打印工件。

需要改善纤维与树脂界面粘结质量时，先将连续纤维丝通过纤维浸润装置3浸润后再送入腔体中，因此连续纤维丝之间会浸润有光敏树脂，挤出的过程中树脂材料包裹在连续纤维的四周，同时将光敏树脂包裹在树脂材料内部。待纤维、光敏树脂和熔融树脂所形成的复合材料粘结在工作台上时，用紫外激光器照射已经打印的工件，使得包裹在树脂内部并粘结在纤维丝之间的光敏树脂固化。从而改善纤维与树脂之间的界面粘结质量，提高复合材料的力学性能。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。