[发明专利]一种3D打印连续纤维自增强复合材料方法

说明书

一种3D打印连续纤维自增强复合材料方法，先建立自增强复合材料制件三维模型，导出三维模型为stl格式文件；然后确定打印温度区间，自增强复合材料为物理形态不同的热塑性高分子材料，具有同一化学结构的熔点差异的增强相和基体相，增强相为连续长纤维，基体相为树脂；打印温度范围高于基体相熔点低于增强相熔点；再3D打印制备自增强复合材料，最后进行自增强复合材料回收，将自增强复合材料物理粉碎加热到增强相熔点温度以上至完全融化，回收成为原材料；本发明一方面解决3D打印复合材料界面性能差、回收利用困难等问题，另一方面实现连续纤维自增强复合材料的低成本快速制造。

技术领域

本发明涉及连续纤维增强复合材料3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印连续纤维自增强复合材料方法。

背景技术

连续纤维增强复合材料3D打印技术是一种新兴的复合材料加工工艺，它采用3D打印层层累加的原理将基体材料与连续纤维复合叠加成型复合材料零件，该工艺无需预先准备模具以及预浸带，降低成本与工艺复杂度，能精确地控制增强纤维的方向，得到具有定制性能的复合材料零件，可实现具有复杂结构的复合材料零件的快速制造。然而，这种工艺成型技术本身仍存在一些固有缺陷，如打印过程中纤维与基体浸渍腔压力不足，且打印过程较为快速，纤维与树脂浸渍时间短等问题，导致其复合材料界面结合性能差、制件性能难以大幅度提高，同时，纤维增强复合材料往往难以进行非降级回收，即使是采用热塑性基体材料时，基体与增强纤维也难以分别回收，造成了3D打印复合材料成本高、材料重复利用率低等问题，制约了3D打印复合材料的实际应用。

自增强复合材料的增强相和基体相是同一种或同一族聚合物，因此两者之间可互容，形成良好的界面形态，有效的促进应力的传递，充分发挥纤维的增强效果，赋予复合材料优异的力学性能。此外，自增强复合材料是一种热塑性材料，仅需加热熔融即可回收成为原材料，回收利用率高。自增强复合材料基于优良的界面性能、轻质、易回收等优点，已成功应用汽车、运动休闲等领域。传统连续纤维自增强复合材料成型方法包括纤维热压法、薄膜嵌入热压法、溶液浸渍热压法等，存在制品尺寸小形状简单，成型周期长，成本高，生产效率低等缺陷，为克服以上工艺局限，连续纤维自增强复合材料高效、低成本成形方法成为该领域的研究重点。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种3D打印连续纤维自增强复合材料方法，一方面解决3D打印复合材料界面性能差、回收利用困难等问题，另一方面实现连续纤维自增强复合材料的低成本快速制造。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种3D打印连续纤维自增强复合材料方法，包括下列步骤：

1)建立自增强复合材料制件三维模型：根据自增强复合材料制件的要求，使用计算机辅助设计软件CAD建立三维模型1，导出三维模型为stl格式文件；

2)确定打印温度区间：自增强复合材料为物理形态不同的热塑性高分子材料，具有同一化学结构的熔点差异的增强相2和基体相4，增强相2为连续长纤维，基体相4为树脂；打印温度范围高于基体相4熔点低于增强相2熔点，打印过程中增强相2的表面出现融化现象，融化部分随后固化成界面相3，提高界面粘接性能，剩余部分即增强相2芯部纤维保持高度取向；

3)3D打印制备自增强复合材料：将步骤1)的stl格式文件导入计算机辅助制造软件CAM中，根据步骤2)确定打印温度，同时确定3D打印工艺参数，结合计算机辅助制造软件CAM的切片软件Skeinforge生成自增强复合材料制件的打印命令文件；对3D打印机进行设置、调整，最后打印得到自增强复合材料制件；

4)自增强复合材料回收：回收时，将自增强复合材料物理粉碎加热到增强相2熔点温度以上至完全融化，即100％回收成为原材料，重复利用。