本发明涉及一种碳纤维，具体涉及一种碳复合纤维的3d打印装置及方法。
背景技术：
纤维增强复合材料由于其性能上有着其他材料难以比拟的优点（比如质量轻、强度大、尺寸稳定性和设计性好），现已成为现代工业，尤其是航空航天、汽车赛车的重要结构用材。
将复合材料零部件用在飞机和汽车上可大幅降低结构重量，对降低运营成本，提高燃油效率和安全性具有重要意义。传统复合材料工艺存在自动化程度低，成型周期长等缺点，生产力受到工业化生产率低和人工成本的压制而导致产量有限。
近年来，三维（threedimension，3d）打印技术的出现为制造业开辟了一个全新的思路。3d打印技术是指打印头在软件控制下，按照设计3d模型的截面进行填充，然后再通过层层累加快速制造出所需零件。不同于传统制造业的减材制造和等材制造，它通过添加材料的方式（增材制造）可以快速地成型复杂形状产品并且实现最大限度的利用原材料，避免了传统制造周期长，成本高的缺点。研究3d打印技术在复合材料产品制造的适用性，对于促进复合材料产品的低成本和快速制造具有重要的工程意义。
利用fdm（熔融沉积成型）工艺制造复合材料的方法是先将树脂送入加热块空腔融化，再将连续纤维丝送入空腔被熔融树脂浸渍，最后按设计轨迹从喷嘴挤出在平台上形成一层层的材料，层与层之间通过树脂部分或完全熔化形成连接。由于连续碳纤维本身较为柔软，在打印过程中由于被挤压等原因，容易造成断裂、散丝，不仅会严重地影响打印质量，甚至散落下来的纤维会堵住打印头以至于无法打印。
连续碳纤维与pla树脂的结合是复合材料3d打印需要解决的问题。由于连续碳纤维与熔融状态的pla树脂无法良好地融合在一起，导致在打印过程中出现树脂无法与纤维一起从喷嘴喷出、打印出的模型纤维与树脂不完全结合等状况。
技术实现要素：
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的问题，提出了一种可同步改性浸渍的连续碳纤维复合材料3d打印装置及方法，在打印过程中，让连续碳纤维先通过改性溶液，使得连续碳纤维的表面特性得到改善，不易断裂并且可以与熔融液态树脂更好地结合，减少表面毛刺，改善翘边情况，最终使打印效果得到显著的提高。
技术方案：本发明提供了一种可同步改性浸渍的连续碳纤维复合材料3d打印装置，包括同步改性容器、打印头、纤维导管、树脂导管、推送树脂导管中树脂的步进电机、加热块和喷嘴；所述纤维导管部分浸入同步改性容器的溶液中且浸入部分设有供溶液流通的缺口，所述纤维导管和树脂导管分别连接打印头的两个进口，打印头的出口连接加热块，加热块的底部设置喷嘴。
进一步，所述纤维导管上的缺口长8~10mm，宽2~3mm。
进一步，所述打印头包括打印头本体以及由上至下贯穿的两个进丝孔道，所述进丝孔道的顶端为入口，两个进丝孔道的底端汇聚至喉管作为出口连通加热块，进丝孔道上部伸出本体并与远程气动快速插头连接，打印头的侧壁设有若干层片状凸起的散热片。
进一步，所述两个进丝孔道在打印头本体中呈v型，保证树脂丝输送的顺畅。
进一步，所述打印头连接树脂导管一端的入口与电机挤出丝的端口垂直，保证丝材的传递通道不产生拐弯。
进一步，所述加热块中安装有加热棒和温度传感器。
一种利用可同步改性浸渍的连续碳纤维复合材料3d打印装置的打印方法，包括以下步骤：
（1）将连续碳纤维穿过纤维导管，通过纤维导管的缺口使连续碳纤维被同步改性容器中的改性溶液浸润得到改性过的连续碳纤维，而后将改性过的连续碳纤维引入打印头的一侧入口并穿过加热块穿出喷嘴，此外，pla树脂丝穿过树脂导管连入步进电机；
（2）打印开始后，加热块加热至225~235℃，步进电机推送pla树脂丝进入打印头另一侧入口，到加热块时被熔化为液态熔融树脂，液态熔融树脂和改性过的连续碳纤维在加热块中结合，使得改性过的碳纤维被pla树脂浸渍，并随之一起从喷嘴挤出进行打印。
8、根据权利要求7所述的打印方法，其特征在于：所述改性溶液的配置方法包括以下步骤：
①将体积比为1：8~10的pla颗粒和二氯甲烷液体混合，并搅拌均匀；
②将混合物置于磁力搅拌机上，转速设置为3000转/分钟以上，常温，转动时间为30min~40min；
③将搅拌后的溶液进行过滤，得到透明粘稠的pla-二氯甲烷混合溶液。
有益效果：本发明将连续碳纤维表面改性引入复合材料的3d打印，根据复合材料打印的需要，配置了由二氯甲烷和pla树脂混合而成的改性溶液，碳纤维经过这种溶液浸润后，内部原本易分散的纤维丝将因为而更加紧密的结合，并且表面将裹覆一层树脂层，有效的改变连续碳纤维的表面性能，提高碳纤维与熔融状态的树脂结合效果，使连续碳纤维材料可以很好的被热塑性材料包裹起来并在打印过程中不易断裂；
本发明打印装置，使连续碳纤维在打印过程中可以边被改性边被浸渍打印，因为改性过的连续碳纤维性质的改善，弥补了3d打印连续碳纤维增强树脂基复合材料易出现毛刺、边角树脂与连续碳纤维易分离的缺陷，最终极大地提升连续碳纤维增强树脂基复合材料的3d打印质量，推动了3d打印技术在连续碳纤维增强树脂基复合材料制造上的应用，与传统复合材料的制造方法相比，3d打印技术制造复合材料构件将有效降低成本和工艺复杂度；同时，采用三维打印方式，只需通过改变打印方向和打印填充率就可以改变碳纤维分布方向以及碳纤维体积率使得打印出来的零件以满足不同需求；
此外本发明还实现了纤维同步改性浸渍的复合材料3d打印，通过对机械结构的设计，随着被改性过的连续纤维随着树脂进入加热块中被打印，未被改性的纤维将被送入改性溶液中被浸润改性使得被打印的碳纤维总是被改性的，有效地实现了纤维改性与打印的同步进行；
因为改性装置的加入，使得接下来打印头装置不需要考虑去束缚碳纤维，打印头中的两个进丝孔道能够使得两种材料畅通无阻的进入加热块，避免了尤其是碳纤维在打印过程中由于机械压力而造成的断裂情况，并且在进入加热块前二者不会有任何接触，最大程度了减少了碳纤维与树脂在打印过程中的相互干扰；
综上，本发明对现有的复合材料三维打印装置和方法做了显著的优化和改善，首次在三维打印中实现了纤维的同步表面改性和浸渍打印，最终极大地提高了连续纤维增强树脂复合材料的三维打印质量和成型件性能。
附图说明
图1为本发明打印装置的结构示意图；
图2为打印头内部结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：一种可同步改性浸渍的连续碳纤维复合材料3d打印装置，如图1所示，包括同步改性容器4、打印头10、纤维导管2、树脂导管、步进电机9、加热块12和铜嘴8，步进电机9与打印头10上下固定在支架6上。
其中，如图2所示，打印头10包括打印头本体以及纵向贯穿本体的两个进丝孔道7、11，进丝孔道7、11上部伸出本体并与远程气动快速插头18连接，打印头10的侧壁设有若干层水平的片状凸起散热片17。两个进丝孔道7、11左右对称，左侧的进丝孔道7顶端连接纤维导管2，右侧的进丝孔道11顶端连接树脂导管。树脂导管中的树脂由步进电机9推动，右侧孔道11入口与步进电机9出口垂直。两个进丝孔道7、11由上至下逐渐靠拢并汇聚于本体底部的喉管21，呈v型，作为出口，喉管21与加热块12连接。加热块12中设有通路，通路上口连通喉管21，下口连通铜嘴8，通路中安装有加热棒19和温度传感器20。
纤维导管2在连接打印头10之前，部分管段浸入同步改性容器4的溶液中且浸入部分设有供溶液流通的缺口，缺口长11mm，宽2mm，纤维可裸露在溶液中被改性溶液5浸润。同步改性容器4放置于一个固定导管装置2上，用于固定导管，容器上加有一个可以通过两根纤维导管2的盖子17用于防止改性溶液5挥发。
利用上述可同步改性浸渍的连续碳纤维1复合材料3d打印装置的打印方法，包括以下步骤：
（1）将体积比为1：9的pla颗粒和二氯甲烷液体混合，用玻璃棒搅拌均匀；将烧杯置于磁力搅拌机上，转速设置为3000转/分钟以上，温度设置为常温即可，搅拌时间约为半个小时，静候搅拌完成；将搅拌后的溶液用纱网进行过滤，得到透明的，粘稠的pla-二氯甲烷混合溶液，将此溶液倒入同步改性容器4中。
（2）将连续碳纤维1从纤维导管2左端穿过，通过纤维导管2的缺口使连续碳纤维1被同步改性容器4中的改性溶液5浸润得到改性过的连续碳纤维1，而后用穿线针将改性过的连续碳纤维1从纤维导管2右端引出，引入打印头10的左侧进丝孔道7入口并经过喉管21、穿过加热块12穿出铜嘴8。此外，将轮盘上的pla树脂丝14穿过树脂导管连入步进电机9。
（3）打印开始后，加热块12加热至230℃，步进电机9推送pla树脂丝14进入打印头10另右侧进丝孔道11入口，到加热块12时被熔化为液态熔融树脂。由于熔融树脂挤出产生的挤压，将碳纤维1丝推出纤维导管2并流动进入纤维导管2。液态熔融树脂和改性过的连续碳纤维1在加热块12中结合，使得改性过的碳纤维1被pla树脂浸渍，并随之一起从铜嘴8挤出，从而实现连续碳纤维1增强复合材料的层层打印在打印平台13上。打印过程中，随着浸渍过的碳纤维1被打印，未被浸渍的碳纤维1会进入到改性溶液5中被浸润，使得被打印的连续碳纤维1总是被改性过的，实现了连续碳纤维1的改性与打印同步进行，按照3d打印的成型方法，碳纤维1树脂复合材料会在打印平台13上层层堆积成型。
实施例2：与实施例1大致相同，所不同的是改性溶液的配置，pla颗粒和二氯甲烷液体的体积比为1：8，在磁力搅拌机上的转动时间为35min；打印开始后，加热块12的加热温度为225℃。
实施例3：与实施例1大致相同，所不同的是改性溶液的配置，pla颗粒和二氯甲烷液体的体积比为1：10，在磁力搅拌机上的转动时间为40min；打印开始后，加热块12的加热温度为235℃。