[发明专利]热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统和方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及复合材料3D打印技术领域，具体设计一种热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统和方法。

背景技术

3D打印是快速成型方式的一种，原理是将三维的模型通过切片降维到二维上，然后逐层打印出三维的结构体。3D打印的这种成型工艺，是有别于传统减材加工的增材制造方法，不仅减少了原材料的浪费，还降低了复杂结构件的加工难度。

现在的3D打印技术除了金属3D打印以外，其他3D打印工艺所打印的结构件力学强度不够，只能作为工艺品或展示模型，不能直接作为承力结构使用。强度低的主要原因为现有非金属3D打印材料多为强度较低的树脂，如ABS、PLA等。

碳纤维、玻璃纤维具有高强度、高模量等优点，是复合材料中常用的增强体。目前，3D打印中最常用的增强材料为纤维粉末、短切纤维增强树脂,较纯树脂打印件强度有一定程度的提高，但仍不能满足承力结构件使用要求。因此，许多科研机构开始进行连续纤维3D打印的研究工作。中国专利CN 104441658 A发明了一种连续纤维增强智能复合材料3D打印头，是将纤维原丝和热塑性树脂耗材在打印头处进行预浸，这种方式打印出来的结构件的弯曲强度达到了335MPa，超过了纯树脂打印件的弯曲强度，但由于在打印过程中预浸时间短且熔融树脂压力不足，树脂没有与纤维充分浸渍，没能形成良好的结合界面，纤维的增强作用没有得到充分发挥。

发明内容

本发明是针对现有的非金属3D打印结构件力学性能不高和连续纤维3D打印方法没有充分发挥连续纤维增强性能等问题，提出了一种热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统和方法。3D打印最显著的优点就是可定制，从成型工艺上看3D打印是由一维的线根根粘连组合成面，然后由二维的面层层叠加组成三维实体的过程，所以打印过程中每一根材料我们都可以使其充分的发挥作用。打印过程前我们可以对结构件进行力学性能的拓扑优化设计，用最少的材料满足实际受力，减少连续纤维的使用，在提高打印件的强度的同时降低成本，3D打印双喷头的设计还能够实现悬臂结构的连续纤维打印。

为达到以上目的，本发明提出以下技术方案：

一种热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印系统，其打印喷头为双喷头设计，所述的双喷头安装在普通的FDM型3D打印机上实现x、y、z三轴运动；包括热塑性树脂基连续纤维预浸料3D打印喷头和热塑性纯树脂3D打印喷头；所述热塑性树脂基连续纤维预浸料3D打印喷头包括热塑性树脂基连续纤维预浸料、为其提供向下驱动力的连续纤维预浸料供料辊、设置于连续纤维预浸料供料辊下方的金属导向管、设置于金属导向管之间的对心剪断机构、包裹在金属导向管外表面的散热片，设置于散热片下方使热塑性树脂熔融的第一加热块以及金属导向管最下端的压实圆角；所述热塑性纯树脂3D打印喷头包括热塑性纯树脂耗材、为其提供向下驱动力的热塑性纯树脂供料辊、防止熔融树脂向上堆积的散热片、降低摩擦的特氟龙喉管、使热塑性纯树脂受热呈熔融态的第二加热块以及喷嘴。

所述热塑性树脂基连续纤维预浸料为截面为圆形的直径小于1mm的含有连续纤维的连续丝线状长丝，连续纤维增强体在热塑性树脂基体内分布均匀，具有较高的浸渍度，大大提高非金属3D打印的力学强度。

所述连续纤维为碳纤维、玻璃纤维或凯夫拉纤维；所述热塑性树脂为ABS、PLA或PEEK。

所述连续纤维预浸料供料辊包括两个辊，一个表面为齿牙状，增加送丝的摩擦力，另一个为表面光滑的U形辊，保证热塑性树脂基连续纤维预浸料在进入打印喷头时的对中性。

所述对心剪断机构由硬质合金刀片和力矩大且加减速度快的动力源组成，必须迅速剪断热塑性树脂基连续纤维预浸料，保证热塑性树脂基连续纤维预浸料的打印过程连续性。

所述第一加热块和第二加热块采用电加热棒、陶瓷或电磁加热，使热塑性树脂基连续纤维预浸料中的热塑性树脂受热达到熔融态。

所述压实圆角必须光滑，圆角要大于热塑性树脂基连续纤维预浸料的直径，以免在打印过程中产生刮胶现象。

所述金属导向管的内径与热塑性树脂基连续纤维预浸料为间隙配合，保证热塑性树脂基连续纤维预浸料在金属导向管内不能产生过大的弯曲，以免连续纤维在加热段产生堵塞。

一种热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3D打印方法，包括如下步骤：

S301、分析结构件的实际载荷情况；

S302、根据实际载荷情况以及热塑性树脂基连续纤维预浸料的力学性能对结构件进行拓扑优化设计；

S303、根据优化设计结果确定最优打印方式；