定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置及方法与流程

本发明涉及复合材料加工领域,特别涉及能定向的短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置及方法。

背景技术：

碳纤维是一种纤维状碳材料，具有耐高温、抗腐蚀、高导热等优点，主要被制成碳纤维增强复合材料来使用。在实际使用过程中，碳纤维增强复合材料具有其他纤维增强复合材料无法比拟的性能优势，这种复合材料强度高、耐疲劳、抗腐蚀，导电且导热性能良好。随着3d打印技术的应用，采用3d打印技术生产碳纤维增强复合材料新型构件已经成为一种新兴的制造工艺。常见的3d打印成形技术有:sla技术、fdm技术、sls技术、lom技术和3dp技术等，其中fdm技术因其运行成本低、打印质量好、成形精度高、材料种类多、后期处理简单等优势而被广泛使用。基于fdm工艺所使用的短切碳纤维增强丝材，通常是由熔融的热塑性树脂基体与短切碳纤维丝混合均匀后通过挤丝装置进行制备。在利用短切碳纤维增强丝材进行fdm打印时，短切碳纤维丝在热塑性树脂基体中的取向度对丝材最终的力学性能有很大的影响。在目前的混合方式下，短切碳纤维丝在热塑性树脂基体中随机排列，表现出各向同性性质，从而使制备得复合材料构件的力学性能提高有限，复合材料特有的可设计性优势难以充分发挥。因此，设计一种短切碳纤维和热塑性树脂基体均匀混合、且纤维取向一致的制丝装置，对实现高性能热塑性碳纤维复合材料的3d打印显得尤为重要。

已有中国专利公开号为cn106891518a的文献中公开了一种短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置，包括：热熔加热装置、气压挤出装置、非对称式均匀搅拌装置、短碳纳米管纤维极化处理装置和自动盘丝装置。该装置能够实现短切碳纤维增强丝材的预制，打印预制丝材可以提高碳纤维结构件的打印精度和机械性能。但是其存在的缺点是：

（1）对短切碳纤维丝的取向原理是通过天线发射高压电场，瞬间实现导电短切碳纤维的极化，并实现其在熔融热塑性复合材料基质中的定向排列处理。但往往由于熔融热塑性复合材料的高粘度及纤维的柔韧性，使纤维极化取向所需的电场强度大、电场分布复杂，容易造成纤维定向排列效果不理想，且存在安全隐患。

（2）所采用的非对称式均匀搅拌装置功能单一，仅包含对短切碳纤维粉末和热塑性复合材料的分级搅拌，对于高粘度熔融树脂基体来讲，其上下层搅拌均匀程度相差较大，容易造成后期挤丝质量和性能的不稳定，且搅拌效率较低。

（3）所采用的挤出动力源是气缸，挤丝过程中靠从气缸管路输入的压力气体对高粘度的熔融热塑性复合材料施加推挤力，故所需气体压力大，而且压力气体也极容易混入热塑性复合材料融体从而导致在挤出丝材中出现气泡，进而影响所制备丝材和最终纤维复合材料制件的力学性能。

（4）该技术对搅拌、挤丝过程中，融体的流动状态受温度变化的影响没有给予充分考虑，因此在挤丝通道中，位于流速和压力变化剧烈的部位容易造成堵塞，尤其是当每一工作循环完成并停机后，残留于挤丝通道中、未完全挤出的高粘度热塑性复合材料融体会逐渐冷却凝固，在堵塞挤丝通道的同时，造成极大的原材料浪费，使得挤丝工作难以顺利、持续进行。

技术实现要素：

为了克服传统3d打印挤丝装置以及上述短切碳纤维和热塑性复合材料混合的定向排列处理装置中存在的短切碳纤维丝和热塑性复合材料均匀混合难度大、短切碳纤维丝在熔融的热塑性复合材料中难以实现定向排列，以及熔融热塑性复合材料在挤出过程中随温度降低容易堵塞等问题，本发明提供一种定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置，通过多种结构的组合有效避免上述问题的发生。同时，本发明也提供了该装置的控制方法。

为实现上述目的，本发明所述的定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置的技术方案是：包括上下垂直布置的融料腔，料斗与融料腔顶部连通，融料腔内部正中间装有多功能搅拌装置，多功能搅拌装置同轴固定连接搅拌电机的输出轴；融料腔的底部经闸阀连接左右水平布置的挤料腔，挤料腔的左侧是水平布置的伸缩式液压缸，伸缩式液压缸的右端连接有一级套筒活塞，一级套筒活塞外壁与挤料腔的内壁滑动密封连接，二级套筒活塞与一级套筒活塞同轴连接；挤料腔的右端出口同轴连接且连通渐缩阶梯管式喷嘴，渐缩阶梯管式喷嘴内部具有从左到右的多级的渐缩式阶梯管，渐缩式阶梯管的管道内径从左往右依次递减且左右长度从左往右依次递减。

进一步地，融料腔的外壁上包有盘管式加热器一，盘管式加热器一外壁包裹有保温棉一；挤料腔的右半侧外包有盘管式加热器二，盘管式加热器二外壁包裹有保温棉二；渐缩阶梯管式喷嘴外包有盘管式加热器三，盘管式加热器三外壁包裹有保温棉三。

进一步地，多功能搅拌装置由一级搅拌杆、二级搅拌杆、螺旋式送料扇叶，刮料板，t型搅拌杆组成，二级搅拌杆同轴固定连接一级搅拌杆下端，一级搅拌杆上端同轴固定连接搅拌电机，在一级搅拌杆上从上到下依次装有螺旋式送料扇叶、刮料板和t型搅拌杆，在二级搅拌杆上装有螺旋式挤料扇叶。

进一步地，渐缩式阶梯管为4～8级，左右相邻的两个渐缩式阶梯管中的左侧的渐缩式阶梯管和右侧的渐缩式阶梯管的内径比是1.3～1.5，左侧的渐缩式阶梯管和右侧的渐缩式阶梯管的左右长度比是1.1～1.3。

进一步地，渐缩阶梯管式喷嘴外部的右侧依次装有冷却辊、盘丝筒，盘丝筒由盘丝电机带动旋转。

进一步地，旋转式喷头从顶部伸入融料腔内，旋转式喷头连接水管一端，水管另一端连接水箱，水管上设有阀门，水箱位于渐缩阶梯管式喷嘴的右端出口的下方。

本发明所述的定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置的挤丝方法采用的技术方案是：具有以下步骤：

a、关闭闸阀，热塑性树脂基体和短切碳纤维丝向料斗送原料，原料进入融料腔后，盘管式加热器一对融料腔加热，盘管式加热器一进行保温，同时搅拌电机带动多功能搅拌轴进行旋转；

b、当短切碳纤维丝和热塑性树脂基体混合均匀后，盘管式加热器一停止加热，同时打开闸阀，多功能搅拌轴将混合均匀的短切碳纤维增强融体从融料腔向下推入挤料腔中；

c、伸缩式液压缸工作，带动一级套筒活塞和二级套筒活塞从左向右推动混合好的融体材料挤丝，同时，盘管式加热器二和盘管式加热器三加热，保温棉二和保温棉三进行保温；

d、伸缩式液压缸驱动一级套筒活塞和二级套筒活塞向左运动回到原位。

进一步地，步骤c中，在渐缩阶梯管式喷嘴外部的右侧依次装有冷却辊、盘丝筒，当熔融的短切碳纤维增强融体从渐缩阶梯管式喷嘴中向右挤出后，依次通过装有冷水的冷却辊冷却，形成短切碳纤维增强丝材，由盘丝筒对短切碳纤维增强丝材进行卷丝收集。

更进一步地，卷丝收集完成后，用旋转喷头进入融料腔中用清水对其进行冲洗，同时打开闸阀，清水进入到挤料腔中，伸缩式液压缸工作，一级套筒活塞和二级套筒活塞向右运动，将水从渐缩阶梯管式喷嘴当中挤出流入水箱中。

本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：

（1）本发明采用的多功能搅拌轴，将下料、搅拌、挤料三个过程融为一体。在下料过程中，利用螺旋式送料扇叶可实现短切碳纤维丝在融料腔中均匀抛撒，从而避免短切碳纤维丝大量凝聚现象的发生。在搅拌过程中，利用多级搅拌机构可以实现短切碳纤维丝和热塑性树脂基体的均匀混合。本发明在挤料过程中，考虑到熔融热塑性树脂基体黏度较高，仅借助自身重力难以顺利下滑，故采用螺旋式挤料扇叶来推动短切碳纤维丝和熔融热塑性树脂混合融体进行流动。此外，本发明在挤丝过程中，利用伸缩式液压缸将液压能转换成机械能，通过一、二级套筒活塞将短切碳纤维增强融体均匀挤出，既避免了油液与混合融体直接接触，又避免了挤出丝材中出现气泡的缺陷。在清洗过程中，能够实现水的循环使用，从而达到绿色、环保的目的。

（2）本发明将下料、搅拌、挤丝、卷丝、清洗等多道工序融为一体，，提升了该装置的使用性能，具有控制精准、自动化程度高、安全等特点。

（3）本发明实现了将短切碳纤维丝和热塑性树脂基体（粉状/颗粒状）原材料直接加工成连续丝材的目的，以便于后期将丝材直接用于3d打印机上进行碳纤维结构件的打印。对于渐缩阶梯管式喷嘴利用渐缩式内壁间的狭窄缝隙，当熔融热塑性复合材料流过狭窄管道时，较大的剪切力作用将引导短切碳纤维丝在热塑性树脂基体中沿材料挤出方向的定向排列，有利于短切碳纤维增强热塑性复合材料3d打印件力学性能的调控。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明所述的定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置的结构示意图；

图2为对图1中i局部放大图；

图中：1.融料腔，2.融料腔密封盖，3.料斗，4.传送带，5.传送电机，6.搅拌电机，7.一级搅拌杆，8.螺旋式送料扇叶，9.刮料板，10.t型搅拌杆，11.二级搅拌杆，12.螺旋式挤料扇叶，13.闸阀，14.挤料腔，15.伸缩式液压缸，16.一级套筒活塞，17.二级套筒活塞，18.渐缩阶梯管式喷嘴，19.冷却辊一，20.冷却辊二，21.短切碳纤维增强丝材，22.盘丝筒，23.盘丝电机，24.盘管式加热器一，25.保温棉一，26.盘管式加热器二，27.保温棉二，28.盘管式加热器三，29.保温棉三，30.旋转式喷头，31.阀门，32.水管，33.水箱，34.多功能搅拌装置，35.渐缩式阶梯管。

具体实施方式

参见图1，本发明所述的定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置包括：混合搅拌系统、伸缩式液压分级挤丝系统、自动盘丝系统、加热系统以及自动清洗系统。对于上述各系统均由主控制器进行控制实现协调运行，最终完成短切碳纤维增强丝材的制备。

所述的混合搅拌系统包括：融料腔1、融料腔密封盖2、料斗3、传送带4、传送电机5、搅拌电机6、多功能搅拌装置34和闸阀13。融料腔1上下垂直布置，其顶部开口安装处安装融料腔密封盖2，搅拌电机6垂直布置，位于融料腔密封盖2的上方，且搅拌电机6与融料腔1的中心轴线相重合。料斗3固定安装在融料腔密封盖2上，与融料腔1顶部相连通。传送带4安装在料斗3的上方并且由传送电机5进行驱动，负责送料工作。

在融料腔1内部正中间安装多功能搅拌装置34，多功能搅拌装置34位于搅拌电机6的正下方且固定连接搅拌电机6的输出轴，由搅拌电机6带动多功能搅拌装置34旋转工作。搅拌电机6、多功能搅拌装置34的中心轴、融料腔1的中心轴三者共线。

多功能搅拌装置34由一级搅拌杆7、二级搅拌杆11、螺旋式送料扇叶8，刮料板9，t型搅拌杆10组成。二级搅拌杆11同轴固定连接一级搅拌杆7的下端，一级搅拌杆7的上端同轴固定连接搅拌电机6，在一级搅拌杆7上从上到下依次安装有螺旋式送料扇叶8、刮料板9和t型搅拌杆10。刮料板9的外径约小于融料腔1的内径且大于螺旋式送料扇叶8和t型搅拌杆10的外径。在二级搅拌杆11上安装有螺旋式挤料扇叶12。

融料腔1的底部开有料腔出口，闸阀13安装在料腔出口处，位于二级搅拌杆11的正下方。闸阀13的下方是左右水平布置的挤料腔14，闸阀13连接于挤料腔14和融料腔1之间，通过闸阀13的开启与闭合实现融料腔1和挤料腔14的连接与隔断。

参见图1，所述的伸缩式液压分级挤丝系统包括：挤料腔14、伸缩式液压缸15、一级套筒活塞16、二级套筒活塞17。挤料腔14水平布置，位于闸阀13的下方并通过闸阀13与融料腔1相连。在挤料腔14的左侧是水平布置的伸缩式液压缸15，伸缩式液压缸15的缸体与挤料腔14左端之间进行密封连接。伸缩式液压缸15的右端连接有一级套筒活塞16。一级套筒活塞16外壁与挤料腔14的内壁可滑动密封连接，进行活塞运动。二级套筒活塞17与一级套筒活塞16同轴连接。一级套筒活塞16和二级套筒活塞17都位于挤料腔14内部，且沿挤料腔14的中心轴向左右移动。当一级套筒活塞16和二级套筒活塞17位于初始位置时，一级套筒活塞16的左侧壁与挤料腔14的左侧内壁相贴合，而二级套筒活塞17的左侧壁与一级套筒活塞16的右侧壁相贴合。

参见图1，所述的自动盘丝系统包括：渐缩阶梯管式喷嘴18、冷却辊一19、冷却辊二20、短切碳纤维增强丝材21、盘丝筒22、盘丝电机23。挤料腔14的右端出口同轴连接且连通渐缩阶梯管式喷嘴18。

参见图2，渐缩阶梯管式喷嘴18内部包含从左到右的多级的渐缩式阶梯管35，本发明中的渐缩式阶梯管35取4～8级，图2中仅示出4级渐缩式阶梯管35。渐缩式阶梯管35的管道内径从左往右依次递减，最左侧的渐缩式阶梯管35的内径最大，等于挤料腔14右端的出口内径，为d1，最右侧的渐缩式阶梯管35的内径最小，为dk+1，其中，k+1为渐缩式阶梯管35从左到右的级数。其中，左右相邻的两个渐缩式阶梯管35中，左侧的渐缩式阶梯管35和相邻右侧的渐缩式阶梯管35的内径比值在1.3～1.5范围内，即dk/dk+1=1.3～1.5。此外，渐缩式阶梯管35的左右长度从左往右依次递减，最左侧的渐缩式阶梯管35的左右长度最大，为l1，最右侧的渐缩式阶梯管35的内径最小，为lk+1。左右相邻的两个渐缩式阶梯管中，左侧渐缩式阶梯管和相邻右侧的渐缩式阶梯管的长度的比值在1.1～1.3范围内，即lk/lk+1=1.1～1.3。从左到右的第二级的渐缩式阶梯管35的内径与二级套筒活塞17的外径相匹配，使二级套筒活塞17能伸入第二级的渐缩式阶梯管35的内径进行挤丝。

渐缩阶梯管式喷嘴18外部的右侧依次安装有冷却辊一19、冷却辊二20、盘丝筒22。在盘丝筒22的下方安装有盘丝电机23。渐缩阶梯管式喷嘴18利用渐缩式内壁间的狭窄缝隙，当熔融热塑性复合材料流过狭窄管道时，较大的剪切力作用将促使短切碳纤维丝逐步沿材料挤出方向取向。当熔融的短切碳纤维增强丝材21从渐缩阶梯管式喷嘴18中挤出时，依次通过冷却辊一19和冷却辊二20，冷却辊一19和冷却辊二20内部装有冷水，可以对熔融的短切碳纤维增强丝材21进行快速冷却，防止其在盘丝过程中因张力而变形。盘丝筒22由盘丝电机23带动旋转，将冷却固化后的短切碳纤维增强丝材21进行收集，最终实现短切碳纤维增强丝材21的制备。

参见图1和图2，所述的加热系统包括：融料腔加热装置、挤料腔保温装置和渐缩阶梯管式喷嘴预热装置，它们都是由盘管式加热器和保温棉组成。融料腔加热装置固定安装在位于融料腔1的外壁上，盘管式加热器一24对融料腔1的外壁进行包围，在盘管式加热器一24外壁用保温棉一25进行包裹保温，其作用是将热塑性树脂基体进行加热融化。挤料腔保温装置位于挤料腔14的右半侧外，将盘管式加热器二26对挤料腔14的外壁进行包围，并用保温棉二27对在盘管式加热器二26外对其进行包裹保温，其作用是防止熔融的复合材料因温度降低而增加挤出力，甚至发生凝固现象。而渐缩阶梯管式喷嘴预热装置位于渐缩阶梯管式喷嘴18的外壁，将盘管式加热器三28对渐缩阶梯管式喷嘴18的外壁进行包围，并用保温棉三29对盘管式加热器三28进行包裹保温，其作用是防止熔融的短切碳纤维增强丝材21遇冷凝固而阻塞喷嘴，从而有利于丝材的持续挤出。

参见图1，所述的自动清洗系统包括：旋转式喷头30、阀门31、水管32和水箱33组成。旋转式喷头30穿过融料腔密封盖2，从融料腔1的顶部伸入，位于融料腔密封盖2的下方。旋转式喷头30连接水管32一端，水管32另一端连接水箱33，在水管32上安装阀门31，水箱33位于渐缩阶梯管式喷嘴18的右端出口的下方，水箱33不仅能够给自动清洗系统提供水源，还能将清洗完所有装置后流出的废水进行回收，从而做到节约用水，避免浪费。

混合搅拌系统工作时时，包含下料、搅拌和挤料三个过程：在下料过程中闸阀13保持关闭，传送电机5驱动传送带4向料斗3内进行送料，依次将热塑性树脂基体（粉状/颗粒状）和短切碳纤维丝按一定比例送入到融料腔1当中，当原料通过料斗3进入融料腔1后先落在螺旋式送料扇叶8上，通过螺旋式送料扇叶8旋转可将原料均匀的撒向融料腔1内部，实现原料均匀抛撒的目的，从而避免短切碳纤维丝大量凝聚现象的发生。此外，在热塑性树脂进入到融料腔1时开始对融料腔1进行加热。在搅拌过程中，闸阀13仍保持关闭，利用多功能搅拌轴34上的螺旋式送料扇叶8、刮料板9、t型搅拌杆10和螺旋式挤料扇叶12对混合原料进行搅拌，达到两者均匀混合的目的。其中刮料板9还可以将粘在融料腔1内壁上的熔融材料刮下，减少材料浪费。在挤料过程中开启闸阀13，考虑到熔融热塑性树脂基体黏度一般较高，仅借助自身重力难以顺利下滑到挤料腔14，故采用螺旋式挤料扇叶8来推动短切碳纤维丝和熔融热塑性树脂混合融体的流动，将其从融料腔1推入挤料腔14中。

伸缩式液压分级挤丝系统工作时，在进程（即活塞向右运动）前期，一级套筒活塞16和二级套筒活塞17始终保持贴合状态并一起向右运动。当一级套筒活塞16与挤料腔14的右侧内壁相贴合时，一级套筒活塞16停止运动，而二级套筒活塞17继续向右运动，直到其与渐缩阶梯管式喷嘴18内部的从左到右的第二级的渐缩式阶梯管35相贴合时停止运动。在回程（即活塞向左运动）时，二级套筒活塞17先向左运动，在碰到一级套筒活塞16后，一级套筒活塞16和二级套筒活塞17保持贴合并一起向左进行回程运动，直到一级套筒活塞16碰到挤料腔14的左侧内壁时停止运动，从而完成一次完整的活塞运动。通过一级套筒活塞16和二级套筒活塞17的往复运动，从而达到挤丝的目的。

如图1、2所示，本发明所述的定向短切碳纤维增强热塑性复合材料的挤丝装置工作时的具体步骤如下：

一、在送料过程中，闸阀13保持关闭，传送电机5驱动传送带4依次将热塑性树脂基体（粉状/颗粒状）和短切碳纤维丝向料斗3内进行送料，当热塑性树脂基体进入融料腔1后，盘管式加热器一24对融料腔1进行加热，同时搅拌电机6带动多功能搅拌轴34进行旋转。当传送带4送料完成后，传送电机5停止工作。当盘管式加热器一24加热温度达到树脂的熔融温度后，盘管式加热器一24进行保温。当短切碳纤维丝和热塑性树脂基体混合均匀后，盘管式加热器一24停止加热，同时闸阀13打开，使得融料腔1和挤料腔14贯通，在搅拌电机6带动多功能搅拌轴34旋转过程中，将混合均匀的短切碳纤维增强融体从融料腔1向下推入挤料腔14中。

二、当混合均匀的短切碳纤维增强融体全部进入挤料腔14后，伸缩式液压缸15工作，带动一级套筒活塞16和二级套筒活塞17推动混合好的融体材料进行挤丝，二级套筒活塞17伸入在第二级的渐缩式阶梯管35中进行挤丝。与此同时，挤料腔保温装置和渐缩阶梯管式喷嘴预热装置中的盘管式加热器进行加热并保温。当熔融的短切碳纤维增强融体从渐缩阶梯管式喷嘴18中向右挤出后，依次通过装有冷水的冷却辊一19和冷却辊二20进行快速冷却，形成短切碳纤维增强丝材21。接着盘丝电机23工作，带动盘丝筒22旋转，从而对制成的短切碳纤维增强丝材21进行卷丝收集。

当挤出及卷丝工作全部完成后，伸缩式液压缸15驱动一级套筒活塞16和二级套筒活塞17向左运动回到原位，并且停止对挤料腔保温装置和渐缩阶梯管式喷嘴预热装置中的盘管式加热器进行加热，最后进入自动清洗环节。

三、自动清洗时，打开水管32上的阀门31，此时压力水流通过旋转喷头30进入融料腔1当中对其进行高压冲洗，流水通过开启的闸阀13进入到挤料腔14当中。伸缩式液压缸15工作，由一级套筒活塞16和二级套筒活塞17向右运动，将水从渐缩阶梯管式喷嘴18当中挤出流入水箱33中循环利用。最后，伸缩式液压缸15驱动一级套筒活塞16和二级套筒活塞17回到原位，清洗工作完成。