[发明专利]一种超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置及方法

说明书

本发明涉及一种超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置及打印方法，包括打印平台(1)、超声固定座(5)、超声夹具(6)、超声波变幅杆(7)、超声波换能器(8)、超声波发生器(9)和散热模块(3)，超声固定座(5)、超声夹具(6)、超声波换能器(8)、超声波变幅杆(7)和散热模块(3)可随3D打印机的运动机构一起整体运动。当连续纤维增强热塑性树脂预浸丝通过超声波变幅杆垂直段的内部流道时，超声波直接作用于熔融的连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材，实现纤维与热塑性树脂之间的充分浸渍，当超声波沿超声波变幅杆的垂直段传播至打印喷嘴端面时，超声波直接作用在打印层之间，进而制备出孔隙少、具有良好界面结合、性能优异的3D打印连续纤维增强热塑性复合材料制品。

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种超声辅助连续纤维增强热塑性树脂熔融浸渍的3D打印装置，以及采用该装置的3D打印方法。

背景技术

3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一，同时也与智能机器人、人工智能并列为当前推动数字化制造进步的三大关键技术。3D打印技术拥有无需原胚和模具的优点，因而能有效地简化产品的制造过程和缩短研发周期，不但克服了传统减材制造产生的能耗问题，而且使产品制造更智能化、精准化和高效，在汽车、航空航天、建筑、医疗等领域得到广泛应用。

材料的选择往往是3D打印制品性能的决定因素，使用传统和单一打印耗材形成的产品往往强度较低，无法满足各领域的性能要求。为了提高产品的各种性能，许多学者以热塑性树脂为基体，以短纤维或增强颗粒为增强材料，通过3D打印技术制备短纤维/颗粒增强热塑性复合材料。使用短纤维和颗粒增强热塑性树脂获得的复合材料在机械强度上的提高有限，也会在一定程度上降低其韧性，并且存在孔隙率大、附着力差的现象。为了进一步提高复合材料的力学性能，采用热塑性复合材料为基体，连续纤维为增强材料，结合3D打印技术所制备的连续纤维增强热塑性树脂复合材料制品，具有显著改善的机械性能，如拉伸强度和弯曲强度。但是打印制品层与层间的结合仅仅只靠喷嘴和打印平台之间的距离进行调控，导致其层间结合不理想，孔隙多，难以达到较高的层间剪切强度。也有采用超声辅助作用的3D打印装置，如中国专利ZL201611004664.0和ZL202110438935.8，其共同特点是超声工具头带动框架或连接部件的振动，从而将振动传递给加热腔室，再由加热腔室在传递给连续纤维增强热塑性复合材料丝材，在此过程，超声波都不与树脂直接接触，属于间接振动，由于超声波传递过程存在较多的连接和界面，当超声波作用于连续纤维增强热塑性复合材料丝材时，衰减十分严重，超声波作用效果不理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对当前连续纤维增强热塑性树脂复合材料3D打印存在的纤维浸渍质量差、层间结合强度低、孔隙率高等缺陷，并且已有的超声波辅助作用不能之间作用于打印层，超声作用效果弱等不足，提供一种超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置及方法，使超声波直接作用于熔融的连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材内部和打印层之间，提供纤维的进行效果和打印层间的结合力。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种超声辅助连续纤维增强热塑性树脂3D打印装置，包括打印平台、超声固定座、超声夹具、超声波变幅杆、超声波换能器、超声波发生器和散热模块；

所述超声波换能器和超声固定座通过超声夹具连接，超声波变幅杆分别与超声波换能器和散热模块相连接，超声固定座和散热模块分别固定在3D打印机的运动机构上，从而超声固定座、超声夹具、超声波换能器、超声波变幅杆和散热模块可随3D打印机的运动机构一起整体运动；

所述超声波变幅杆位于散热模块的下方，为L型，包括平直段和垂直段，垂直段的上端通过双头螺柱与散热模块连接，散热模块、双头螺柱以及超声波变幅杆的垂直段内部均为空芯结构，且各空芯结构依次连通，形成供连续纤维增强热塑性树脂预浸丝材传输的通道，垂直段的下端为打印喷嘴，打印喷嘴内置加热棒；

超声波换能器的一端与超声波变幅杆平直段的端部连接，另一端通过线路与超声波发生器连接。