阅读说明：本技术 连续纤维嵌入材料的一体化打印装置及打印方法 (Integrated printing device and printing method for continuous fiber embedded material ) 是由 张志辉 周玉婷 臧剑锋 化征 周天若 羊佑舟 周成 任露泉 于 2019-10-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种连续纤维嵌入材料的一体化打印装置及打印方法,属于功能材料3D打印技术领域。预制带孔的聚合物圆柱体成丝棒,并将连续纤维穿过成丝棒的孔,成丝棒夹紧在成丝筒中,推进杆将成丝棒向下推送,成丝棒经过加热区,熔融的聚合物向下流动包裹在连续纤维表面,最终从成丝筒底部出来成型丝材,成型丝材经过测量剪切机构,直径不符合要求时剪断,直径符合要求直接进入进给机构,进给机构将成型丝材不断向下进给,送入打印头部件实现打印。优点在于：纤维与聚合物之间粘合性好,不会产生连续纤维的局部堆积,可按需打印不同直径的成型丝材,实现了连续纤维嵌入式高熔点聚合物的打印。(The invention relates to an integrated printing device and method for a continuous fiber embedded material, and belongs to the technical field of 3D printing of functional materials. The method comprises the steps that a polymer cylinder with holes is prefabricated into a filament rod, continuous fibers penetrate through the holes of the filament rod, the filament rod is clamped in a filament forming cylinder, the filament rod is pushed downwards by a pushing rod and passes through a heating area, molten polymer flows downwards to wrap the surface of the continuous fibers, finally, formed filaments come out from the bottom of the filament forming cylinder, the formed filaments are cut when the diameters of the formed filaments do not meet the requirements after passing through a measuring and cutting mechanism, the formed filaments directly enter a feeding mechanism when the diameters of the formed filaments meet the requirements, the formed filaments are continuously fed downwards by the feeding mechanism and are fed into a printing head component to realize printing. Has the advantages that: the adhesion between the fiber and the polymer is good, the local accumulation of the continuous fiber can not be generated, the molding wires with different diameters can be printed according to the requirement, and the printing of the continuous fiber embedded high-melting-point polymer is realized.)

连续纤维嵌入材料的一体化打印装置及打印方法

技术领域

本发明涉及功能材料3D打印技术领域，特别涉及一种连续纤维嵌入材料的一体化打印装置及打印方法，是一种同时适用于高熔点材料的、连续纤维嵌入式的一体化打印方法和装置，解决了连续纤维分布问题和不同材料之间粘合的问题，为非工业环境提供了方案。

背景技术

熔融沉积是最常用的增材制造技术，对于高熔点、高性能聚合物来说，熔融沉积也是目前唯一的增材制造方法。

连续纤维嵌入式功能材料具有优良的机械性能（如模量、强度）、潜在的回收再利用特点和更轻质的结构，使得其有广泛的应用前景，正在逐渐替代普通热固性材料和钢制材料。另一方面，嵌入的连续纤维通电后，经过电热转换还可以实现聚合物的形状记忆变形，使设计部件具有功能性和多样性。越来越多的研究人员开始研究连续纤维的3D打印方法，如改进为双头喷嘴、采用螺杆挤出方式、热熔树脂预浸等，但连续纤维在聚合物内分布不均匀，纤维不能与聚合物良好的粘合，容易产生连续纤维局部堆积等问题，造成产品机械性能下降、功能性降低、使用范围受限。且以流动的聚合物熔融体为原料直接打印的方法，目前要求聚合物熔点较低，否则较大的温差会使聚合物快速凝固，无法实现打印，不适用于高熔点聚合物。

因此，急需一种既能使连续纤维在聚合物内分布均匀、与聚合物有效粘合，又能适用于高熔点材料的连续纤维嵌入式的一体化打印方法和装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续纤维嵌入材料的一体化打印装置及打印方法，解决了现有技术存在的连续纤维在聚合物内分布不均匀、不能与聚合物很好的粘合，以及连续纤维局部堆积、不适用于高熔点聚合物打印等问题。本发明预制带孔的聚合物圆柱体成丝棒，并将连续纤维穿过成丝棒的孔，成丝棒由压块夹紧在成丝筒中心，位于成丝机构上端的推进杆不断将成丝棒向下推送，成丝棒经过加热区，熔融的聚合物向下流动包裹在连续纤维表面，最终从成丝筒底部出来成型丝材，成型丝材经过测量剪切机构，当所测量的成型丝材直径不符合要求时，按下点动刃，将成型丝材剪断，当成型丝材直径符合要求时，直接进入下方的进给机构，成型丝材被夹紧在主动进丝轮和从动进丝轮之间，主动进丝轮不断转动将成型丝材向下进给，送入打印头部件，最终实现内嵌连续纤维聚合物的打印。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

连续纤维嵌入材料的一体化打印装置，包括推动机构1、成丝机构2、测量剪切机构3、进给机构4、打印头部件5、连接架6及控制器7，所述推动机构1位于成丝机构2上方，成丝机构2固定在连接架6上；测量剪切机构3位于成丝机构2下方并与连接架6固定连接，进给机构4位于测量剪切机构3下方并固定在连接架6的下部，打印头部件5位于进给机构4下方，控制器7分别与推动机构1、测量剪切机构3、进给机构4、打印头部件5相连，并能控制其动作和温度。

所述的成丝机构2是：三个弹簧22圆周方向均匀分布在成丝筒21内表面，弹簧22轴线指向成丝筒21轴线，且与成丝筒21轴线相互垂直，通过定位突起211固定在成丝筒21内表面；三个压块23与弹簧22分布相同，压块23的一面与弹簧22相接，通过弹簧22与成丝筒21连接，另一面与成丝棒101相接，可以实现夹紧和定心；成丝筒21的内侧设有一级加热区24、二级加热区25、三级加热区26。

所述的测量剪切机构3是：外径测量仪35的测量孔351轴线与成丝筒21轴线重合；固定刃31安装在外径测量仪35下表面，其一端有固定刃连接孔和固定刃凸起311，中部有两个安装孔312；点动刃33位于固定刃31下方，其一端有点动刃连接孔和点动刃凸起331；锅钉34穿过固定刃连接孔和点动刃连接孔，将固定刃31与点动刃33相连在一起；弹簧32两端分别由固定刃凸起311和点动刃凸起331定位。

所述的推动机构1是：推进杆11下表面与成丝棒101上面相接触，给成丝棒101提供推动力；止推环12固定安装在推进杆11上，止推环12下表面贴有传感片13；

所述的进给机构4是：主动进丝轮41提供匀速转动运动，从动进丝轮42绕轴自由转动，主动进丝轮41与从动进丝轮42之间紧压着成型丝材103，主动进丝轮41转动，带动成型丝材103匀速向上或向下运动。

本发明的另一目的在于提供一种连续纤维嵌入材料的一体化打印方法，预制带孔的聚合物圆柱体成丝棒，并将连续纤维穿过成丝棒的孔，成丝棒由压块夹紧在成丝筒中心，位于成丝机构上端的推进杆不断将成丝棒向下推送，成丝棒经过加热区，熔融的聚合物向下流动包裹在连续纤维表面，最终从成丝筒底部出来成型丝材，成型丝材经过测量剪切机构，当所测量的成型丝材直径不符合要求时，按下点动刃，将成型丝材剪断，当成型丝材直径符合要求时，直接进入下方的进给机构，成型丝材被夹紧在主动进丝轮和从动进丝轮之间，主动进丝轮不断转动将成型丝材向下进给，送入打印头部件，最终实现内嵌连续纤维聚合物的打印。具体步骤如下：

步骤一、在一根钢制杆表面包裹聚合物材料薄膜，在聚合物熔融温度下加热2h，冷却后除去钢制杆，形成成丝棒101；所述钢制杆直径为5mm，所述形成的成丝棒101直径为3~4cm，轴向有5mm通孔；

步骤二、推进杆11向上抬起，将成丝棒101放入成丝筒21中夹紧并定心，推进杆11向下运动压紧成丝棒101，将连续纤维102穿过成丝棒101通孔；

步骤三、推进杆11向下运动，与成丝棒101顶端相抵并压紧，连续纤维102穿过成丝棒101通孔，连续纤维102上端缠绕在转轮上，下端超出成丝棒101底端5cm，松弛下垂；

步骤四、一级加热区24、二级加热区25和三级加热区26开始加热，加热温度为聚合物的熔融温度，温度达到指定温度后推进杆11开始推动成丝棒101向下运动，成丝棒101逐步通过成丝筒21内一、二、三级加热区，当成丝棒101底端通过三级加热区26时熔融成丝。

步骤二所述的将成丝棒101放入成丝筒21中夹紧并定心，具体是：在成丝棒101放入成丝筒21时，会在弹簧22的弹力作用下，被压块23自动夹紧并定心。

步骤四所述的成丝棒101逐步通过成丝筒21内一、二、三级加热区，当成丝棒101底端通过三级加热区26时熔融成丝，具体为：成丝棒101底端通过一级加热区24和二级加热区25，外表层加热熔融并在重力作用下向下流动，成丝棒101底端逐渐成圆锥状，直径变小，在经过三级加热区26时，聚合物进一步熔融向下流动，包裹在连续纤维102表面，通过三级加热区后冷却形成成型丝材103。

通过控制推进杆11的推进速度，改变成型丝材103的直径。

成型丝材103通过测量剪切机构3测量，直径符合要求的成型丝材103直进入进给机构4，在进给机构4的推动下进入打印头部件5，打印出含连续纤维的聚合物材料。

所述的成型丝材103通过测量剪切机构3测量，具体为：测量剪切机构3的外径测量仪35测得成型丝材103的实时直径，当成型丝材103直径不符合要求时，点动刃43将成型丝材103切断。

本发明的有益效果在于：

1、本发明可实现连续纤维嵌入式材料的打印，可以直接制作内嵌连续纤维的聚合物打印丝材，集丝材成型和打印于一体，利于减少实验步骤，整体具有较好的自动性；

2、本发明制作的内嵌连续纤维的聚合物打印丝材，内部连续纤维位置分布均匀且与聚合物有较好的粘合性，在制作过程中不会产生连续纤维的局部堆积；

3、本发明所用原料易得，在原料剩余的情况下可以100%回收再利用，有利于降低成本和环境保护；

4、本发明同时适用于高熔点聚合物，通过局部加热方法形成打印丝材，并完成打印，实现了连续纤维嵌入式高熔点聚合物的打印；

5、本发明可以同时改变推进速度和进给速度，在成丝棒尺寸不变的情况下，两者配合调节可改变成型丝材的直径，或者在进给速度不变的情况下，改变成丝棒尺寸和推进速度也可以改变成型丝材的直径。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的连续纤维嵌入材料的一体化打印装置的立体结构示意图；

图2为本发明的连续纤维嵌入材料的一体化打印装置的主视结构示意图；

图3为图2中A部分的局部放大示意图；

图4为本发明的连续纤维嵌入材料的一体化打印装置的测量剪切机构的结构示意图；

图5为以聚醚醚酮为聚合物、以碳纤维为连续纤维得到的成型丝材的实物图。

图中：1、推动机构；11、推进杆；12、止推环；13、传感片；2、成丝机构；21、成丝筒；211、定位突起；22、弹簧；23、压块；24、一级加热区；25、二级加热区；26、三级加热区；3、测量剪切机构；31、固定刃；311、固定刃凸起；312、安装孔；32、弹簧；33、点动刃；331、点动刃凸起；34、锅钉；35、外径测量仪；351、测量孔；4、进给机构；41、主动进丝轮；42、从动进丝轮；5、打印头部件；6、连接架；7、控制反馈中心；801、聚醚醚酮；802、碳纤维；101、成丝棒；102、连续纤维；103、成型丝材。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图5所示，本发明的连续纤维嵌入材料的一体化打印装置及打印方法，通过预制带孔的聚合物圆柱体成丝棒，并将连续纤维穿过成丝棒的孔，成丝棒由压块夹紧在成丝筒中心，位于成丝机构上端的推进杆不断将成丝棒向下推送，成丝棒经过加热区，熔融的聚合物向下流动包裹在连续纤维表面，最终从成丝筒底部出来成型丝材，成型丝材经过测量剪切机构，当所测量的成型丝材直径不符合要求时，按下点动刃，将成型丝材剪断，当成型丝材直径符合要求时，直接进入下方的进给机构，成型丝材被夹紧在主动进丝轮和从动进丝轮之间，主动进丝轮不断转动将成型丝材向下进给，送入打印头部件，最终实现内嵌连续纤维聚合物的打印。夹紧成丝棒之前，推进杆处于抬起状态，夹紧后推进杆向下运动直至紧压成丝棒的上表面。成丝棒进入加热区时，外表层熔融，在重力作用下向下流动，成丝棒底端逐渐成圆锥状，直径变小，在经过三级加热区时，聚合物进一步熔融向下流动，包裹在连续纤维表面，通过加热区后冷却形成成型丝材。进入进给机构的成型丝材被夹紧进给，此时丝材两端都被定位，保持运动的稳定性和位置的准确性。在成丝棒尺寸不变的情况下，两者配合调节可改变成型丝材的直径，或者在进给速度不变的情况下，改变成丝棒尺寸和推进速度也可以改变成型丝材的直径。

参见图1至图5所示，本发明的连续纤维嵌入材料的一体化打印装置，包括推动机构1、成丝机构2、测量剪切机构3、进给机构4、打印头部件5、连接架6及控制器7。包括推动机构1、成丝机构2、测量剪切机构3、进给机构4、打印头部件5、连接架6及控制器7，所述推动机构1位于成丝机构2上方，成丝机构2固定在连接架6上；测量剪切机构3位于成丝机构2下方并与连接架6固定连接，进给机构4位于测量剪切机构3下方并固定在连接架6的下部，打印头部件5位于进给机构4下方，控制器7分别与推动机构1、测量剪切机构3、进给机构4、打印头部件5相连，可集中显示数据、控制速度和温度。

所述的成丝机构2是：三个弹簧22圆周方向均匀分布在成丝筒21内表面，弹簧22轴线指向成丝筒21轴线，且与成丝筒21轴线相互垂直，通过定位突起211固定在成丝筒21内表面；三个压块23与弹簧22分布相同，压块23的一面与弹簧22相接，通过弹簧22与成丝筒21连接，另一面与成丝棒101相接，可以实现夹紧和定心；成丝筒21的内侧设有一级加热区24、二级加热区25、三级加热区26。成丝棒101与压块23表面接触并对其施加径向压力，弹簧22抵消压块23所受的压力，将成丝棒101夹紧在成丝筒21中，并定心；一级加热区24、二级加热区25和三级加热区26依次逐步加热成丝棒101。

所述的测量剪切机构3是：外径测量仪35的测量孔351轴线与成丝筒21轴线重合；固定刃31安装在外径测量仪35下表面，其一端有固定刃连接孔和固定刃凸起311，中部有两个安装孔312；点动刃33位于固定刃31下方，其一端有点动刃连接孔和点动刃凸起331；锅钉34穿过固定刃连接孔和点动刃连接孔，将固定刃31与点动刃33相连在一起；弹簧32两端分别由固定刃凸起311和点动刃凸起331定位。由锅钉34连接的点动刃33可相对于固定刃31转动，按下点动刃33弹簧32压缩，松开点动刃33在弹簧弹力作用下点动刃33复位。

所述的推动机构1是：推进杆11下表面与成丝棒101上面相接触，给成丝棒101提供推动力；止推环12固定安装在推进杆11上，止推环12下表面贴有传感片13；当推进杆11进给一定距离时，推进杆11环接的止推环12下表面的传感片13与成丝筒21上表面接触，受压的传感片13闭合，推动机构1停止作业。

所述的进给机构4是：主动进丝轮41提供匀速转动运动，从动进丝轮42可绕轴自由转动，主动进丝轮41与从动进丝轮42之间紧压着成型丝材103，主动进丝轮41转动，可带动成型丝材103匀速向上或向下运动。

所述的打印头部件5为现市面上常见的耐高温打印头。

本发明的连续纤维嵌入材料的一体化打印方法，包括如下步骤：

步骤一、在一根钢制杆表面包裹聚合物材料薄膜，在聚合物熔融温度下加热2h，冷却后除去钢制杆，形成成丝棒101；所述钢制杆直径为5mm，所述形成的成丝棒101直径为3~4cm，轴向有5mm通孔；该种方法为现有手段，在本说明中不再详细解释。

步骤二、推进杆11向上抬起，将成丝棒101放入成丝筒21中夹紧并定心，推进杆11向下运动压紧成丝棒101，将连续纤维102穿过成丝棒101通孔；

步骤三、推进杆11向下运动，与成丝棒101顶端相抵并压紧，连续纤维102穿过成丝棒101通孔，连续纤维102上端缠绕在转轮上，下端超出成丝棒101底端5cm，松弛下垂；

步骤四、一级加热区24、二级加热区25和三级加热区26开始加热，加热温度为聚合物的熔融温度，温度达到指定温度后推进杆11开始推动成丝棒101向下运动，成丝棒101逐步通过成丝筒21内一、二、三级加热区，当成丝棒101底端通过三级加热区26时熔融成丝。

步骤二所述的将成丝棒101放入成丝筒21中夹紧并定心，具体是：在成丝棒101放入成丝筒21时，会在弹簧22的弹力作用下，被压块23自动夹紧并定心。

步骤四所述的成丝棒101逐步通过成丝筒21内一、二、三级加热区，当成丝棒101底端通过三级加热区26时熔融成丝，具体为：成丝棒101底端通过一级加热区24和二级加热区25，外表层加热熔融并在重力作用下向下流动，成丝棒101底端逐渐成圆锥状，直径变小，在经过三级加热区26时，聚合物进一步熔融向下流动，包裹在连续纤维102表面，通过三级加热区后冷却形成成型丝材103。

通过控制推进杆11的推进速度，可改变成型丝材103的直径。

成型丝材103通过测量剪切机构3测量，直径符合要求的成型丝材103直进入进给机构4，在进给机构4的推动下进入打印头部件5，打印出含连续纤维的聚合物材料。

所述的成型丝材103通过测量剪切机构3测量，具体为：测量剪切机构3的外径测量仪35测得成型丝材103的实时直径，当成型丝材103直径不符合要求时，点动刃43将成型丝材103切断。

参见图5所示，本发明以聚醚醚酮801为聚合物、以碳纤维802为连续纤维为例，展示了经过成丝机构后得到的成型丝材的实物图。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。