一种连续纤维增强构件的FDM-3D打印成型挤出头的制作方法

本实用新型属于3D打印技术领域，具体涉及一种连续纤维增强构件的FDM-3D打印成型挤出头。

背景技术：

FDM-3D打印成型是将低熔点线型材料热化后从挤出头喷出，挤出头在计算机的控制下，沿零件的每一截面的轮廓准确运动，挤出半流动的热塑材料沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的构件层之上，每完成一层成型，工作台便下降一层高度，喷头再进行下一层截面的扫描喷丝，如此反复逐层沉积，直到最后一层，这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件，这要求材料本身存在一定强度的同时，在打印过程中也需要具有一定塑性特性。

现有技术中，连续纤维和光敏树脂需要提前预浸，然后进行3D打印成型，生产效率低，由于光敏树脂遇光后极易发生固化，从而改变其化学结构，生成较长的交联聚合物高分子，容易导致堵塞挤出头，导致打印成功率不高。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种连续纤维增强构件的FDM-3D打印成型挤出头，以将材料复合过程与成型同步进行，提高生产效率。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供一种连续纤维增强构件的FDM-3D打印成型挤出头，包括从上至下依次设置的送丝装置、剪断装置、挤出腔体和喷嘴，所述送丝装置设有第一进料端，用于连续纤维的进料口，所述挤出腔体设有第二进料端，第二进料端与挤出腔体连通，用于光敏树脂的进料口，以实现连续纤维和光敏树脂的同步进料。

优选的，所述送丝装置包括框架、以及设置于其上的驱动轮、驱动电机、从动轮，驱动轮通过联轴器与驱动电机的输出轴相连，连续纤维通过驱动轮和从动轮之间并夹紧，驱动轮在驱动电路控制下转动，带动连续纤维向前进行送料，通过挤出腔体进料端口，进入挤出腔体内部。

优选的，所述剪断装置包括第一刀片、第二刀片，剪断装置与3D打印平台的控制系统连接，在纤维堆积成型过程中，根据构件模型路径与堆积方式的设计，从而实现对挤出腔体进料端口的连续纤维进行精确剪断操作。

精确剪断操作能保证为打印部位剩余部分留下充足余料，同时，在完成该部位打印过程后，挤出系统路径转移过程中停止材料供给的挤出。

优选的，所述第二进料端通过外接导管与蠕动泵连接，进行光敏树脂供料。

优选的，所述连续纤维的直径略小于挤出头喷嘴，从而使复合前驱体能够从顺利通过挤出头喷嘴。

优选的，所述连续纤维为韧性连续纤维、非韧性连续纤维中的一种。

更优选的，所述韧性连续纤维为连续玻璃纤维、连续金属纤维、连续竹炭纤维、连续韧性矿物纤维、连续韧性合成纤维中的一种，韧性连续纤维质硬，本身存在一定塑性，同时存在一定非轴向强度。

更优选的，所述非韧性连续纤维为连续碳纤维、连续尼龙纤维、连续芳纶纤维、连续非韧性天然纤维、连续非韧性合成纤维中的一种，非韧性连续纤维质软，本身塑性较好，非轴向强度较低。

进一步，采用韧性连续纤维，可直接采用FDM-3D打印平台进行供给打印。

进一步，采用非韧性连续纤维，先进行表面处理，使其具有一定韧性，再按照韧性连续纤维的方式进行打印，所述表面处理为加热处理、酸性腐蚀处理、涂覆处理中的任意一种。

本实用新型的原理：本实用新型通过光敏树脂与连续纤维在挤出头内部形成复合前驱体，随后借助FDM-3D打印平台在构件成型的过程中完成材料复合增强的一种方法，在第一进料端通入连续纤维，第二进料端通入光敏树脂，光敏树脂与纤维充分接触，使纤维表面包裹光敏树脂，随后在底板堆积成型，在打印过程中提供光源进行光照，光敏树脂在光照条件下迅速交联固化，在完成光敏树脂与纤维复合过程的同时，保证了光敏树脂与平台基底、光明树脂层与层之间的粘连、交联，从而保证了最终样品的成型与稳定性，最终得到强化的3D打印构件。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型提供一种连续纤维增强构件的FDM-3D打印成型挤出头，包括从上至下依次设置的送丝装置、剪断装置、挤出腔体和喷嘴，所述送丝装置设有第一进料端，用于连续纤维的进料口，所述挤出腔体设有第二进料端，第二进料端与挤出腔体连通，用于光敏树脂的进料口，以实现连续纤维和光敏树脂的同步进料，将材料复合过程与成型同步进行，大大提高生产效率。

附图说明

图1为本实用新型3D打印平台挤出头的结构示意图。

图2为图1的A-A方向剖面图。

图3为连续纤维与光敏树脂的复合强化过程示意图。

图示序号：

1—送丝装置，101—第一进料端，102—框架，103—驱动轮，104—驱动电机，105—从动轮；

2—剪断装置；

3—挤出腔体，301—第二进料端，302—挤出腔体进料端口；

4—喷嘴；

5—打印平台基底；

6—连续纤维增强构件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进一步说明。

实施例

如图1～2所示，本实用新型提供一种连续纤维增强构件的FDM-3D打印成型挤出头，该挤出头包括从上至下依次设置的送丝装置1、剪断装置2、挤出腔体3和喷嘴4，送丝装置1设有第一进料端101，用于连续纤维的进料口，挤出腔体3设有第二进料端301，第二进料端301与挤出腔体3连通，第二进料端301通过外接导管与蠕动泵连接，从而实现连续纤维和光敏树脂的同步进料。

送丝装置1包括框架102、以及设置于其上的驱动轮103、驱动电机104、从动轮105，驱动轮103通过联轴器与驱动电机104的输出轴相连，连续纤维通过驱动轮103和从动轮105夹紧，驱动轮103在驱动电路控制下转动，带动连续纤维向前进行送料，通过挤出腔体进料端口302，进入挤出腔体3内部。

剪断装置2包括第一刀片、第二刀片，剪断装置与3D打印平台的控制系统连接，在纤维堆积成型过程中，根据构件模型路径与堆积方式的设计，从而实现对挤出腔体进料端口的连续纤维进行精确剪断操作。

精确剪断操作能保证为打印部位剩余部分留下充足余料，同时，在完成该部位打印过程后，挤出系统路径转移过程中停止材料供给的挤出。

连续纤维的直径略小于挤出头喷嘴4，从而使复合前驱体能够从顺利通过挤出头喷嘴4。

以韧性连续纤维为对象(采用连续玻璃纤维)，由于纤维本身存在一定塑性，同时存在一定非轴向强度，可直接采用FDM-3D打印平台进行供给打印，本实用新型的工作过程为：

(1)将连续玻璃纤维穿过框架102上的第一进料端101，通过驱动轮103和从动轮105之间并夹紧，驱动轮103在驱动电路控制下转动，带动连续纤维向前进行送料，纤维通过挤出腔体进料端口302，进入挤出腔体3内部；

(2)将蠕动泵装载好光敏树脂，连通好导管接入第二进料端301，将挤出头内部填充满光敏树脂；

(3)将打印器件模型载入FDM-3D打印平台，驱动挤出系统进行打印成型，在送丝装置作用下复合前驱体从挤出头喷嘴挤出，同时在打印平台基底5上开始成型，成型开始的同时，通过FDM主板控制光源开启，对打印体进行光照，连续纤维表面的光敏树脂开始发生交联固化，完成光敏树脂与纤维复合，形成连续纤维增强构件6，同时使打印基层与打印平台基底或前一层能够很好的粘连与交联，从而打印的每个层面得以稳定，最终保证整个构件的稳定与强化，如图3所示；

(4)在每一层打印结束前，通过FDM主板进行精确计算发出一个剪断操作信号，剪断装置2将连续纤维剪断，随后精确预留的剩余纤维在已打印成型部分的拽动作用及挤出头规划的路径下被拉出，进而完成该层或该部位的打印过程，同时在挤出头进行非打印的空间转移过程中不会有纤维挤出，而在挤出系统转移到打印位置的同时，另一端的纤维被机械滚动装置重新装载进行打印成型，最后随着每一层的复合增强及叠加完成构件的打印成型。

若以非韧性连续纤维为对象(采用连续碳纤维)，由于其质软，无法依靠送丝装置递进挤出，需要先进行表面涂覆处理，使其具有一定韧性，再按照韧性连续纤维的方式进行打印。

上述涂覆处理包括光敏树脂包覆连续纤维处理方法、外层可溶的同轴硬质连续纤维处理方法，具体为：

光敏树脂包覆连续纤维处理方法：

(1)将非韧性连续纤维放入与打印相同材质的光敏树脂中进行浸泡，保证纤维与树脂充分接触；

(2)浸泡完成后将连续纤维拉直平放在桌面上，使用光源对其进行光照，使表面的光敏树脂固化完成韧性处理。

外层可溶的同轴硬质连续纤维处理方法

(a)以丙烯酰胺为包覆层对非韧性连续碳纤维进行同轴包覆处理；

(b)使用光源对同轴包覆的连续纤维进行光照，使表面的丙烯酰胺发生交联固化完成硬质化。