[发明专利]一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法

权利要求书

1.一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：为实现该方法的打印效果，需设计连续纤维打印部分、制线部分、信号采集和控制部分；所述的连续纤维打印部分主要实现预混短纤维树脂线材5的送丝，连续纤维6的送丝，两种材料在浸渍腔室加热并充分混合浸润，连续打印于具有加热功能的成型平台10，在成型件中连续纤维打印层间、单道间存在短纤维增强，并通过树脂连接在一起；制线部分主要用于成形预混短纤维树脂线材5；信号采集和控制系统辅助连续纤维打印部分，通过参数采集和分析实时控制打印过程中各个环节的工作状态。

2.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：制线部分包括纤维切断器1、预混机2、制线机3，纤维切断器1用于制作长度为2mm-50mm的短切纤维，可以为碳纤维或玻璃纤维或有机纤维。将短纤维与预设型号的树脂在预混机2混合，并通过制线机制得预混短纤维树脂线材5。

3.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：连续纤维打印部分包括多个送丝机构4、浸渍腔室7、加热机构8、打印喷嘴9、三维运动平台10。加热机构8控制整个连续纤维打印部分的温度场，控制加热段长度、实现预混短纤维树脂线材5的快速熔化。预混短纤维树脂线材5和连续纤维6在浸渍腔室中预混合，充分接触浸润，使树脂尽可能包裹于每根纤维丝，并以一定速度通过特定结构打印喷嘴9挤出。该打印喷嘴9可减少纤维束损坏，并控制成型单道的形状和尺寸。

4.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：信号采集和控制部分11包括控制卡12、多个温度传感器13、图像传感器14、计算机15。通过计算机15绘制三维模型、经切片后生成G代码，交由控制卡12控制各个打印环节不同机构的状态。多个温度传感器13采集打印平台、喷嘴、加热机构的温度并实时上传于计算机中。图像传感器14可实时监控打印效果，上传数据于计算机，修正打印参数，形成闭环系统。

5.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：所述的成型平台10具有加热功能，可防止打印过程中产生翘曲等缺陷，加热方式可以为电阻丝加热或激光加热或轧辊加热。当采用电阻丝加热时，电阻丝位于成型平台内部，以一定方式分布，控制平台表面达到预设温度。当采用激光加热或轧辊加热时，激光或轧辊对已成型层进行预热，然后打印复合材料于预热层上。

6.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：打印喷嘴9的通孔尺寸和形状具有很大灵活性，如图4所示，可以为圆形，直径从0.1-2mm；可以为椭圆形或带倒角的长方形，从而实现特定形状树脂和纤维混合物的喷射沉积，该方式也可以在某一维度上限制短纤维的取向。

7.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：两个打印层16中存在随机取向的短纤维，短纤维通过树脂与上下两层紧密结合，其在层间具有多种位置形态，当短纤维搭接于上下两层连续纤维增强树脂层中时，即为Z向增强短纤维17，起钉扎作用。当外力施加于成型件Z向时，短纤维可抵抗层间脱落。

8.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：两个打印的连续纤维增强树脂单道9中存在自由取向的短纤维，短纤维在单道间具有多种位置形态，当短纤维搭接于相邻几个成型单道18间时，即为单道间结合增强短纤维20，单道与单道间垂直方向的结合强度大大增加。

9.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：所述的连续纤维打印部分可具有多个送丝机构4，分别实现预混短纤维树脂线材5和连续纤维6的定速送丝，此处，多种树脂主要指PLA(聚乳酸)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PI(聚酰亚胺)、PEEK(聚醚醚酮)，连续纤维可以为多种规格的如1K、3K、6K、11K等碳纤维或玻璃纤维、有机纤维。

10.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料三维打印成形方法，其特征在于：所述的浸渍腔室7内长短纤维和树脂可充分混合，并通过调节送丝速度，实现不同的混合配比，从而精确控制沉积层中的纤维体积分数。由于预混短纤维树脂线材5中包含较高体积分数的纤维，结合沉积过程中加入的连续纤维6，可大大提高成型件中的纤维含量，获得更优异的力学性能。