阅读说明：本技术 一种用于纤维增强复合材料3d打印丝束耗材的制备装置 (Preparation device for fiber reinforced composite material 3D printing tow consumable ) 是由 王新筑 于 2020-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于纤维增强复合材料3D打印丝束耗材的制备装置,包括依次设置的放丝料架、纤维润湿段、冷却段和收丝卷绕装置,所述的纤维润湿段末端固定设置有成型段；所述的纤维润湿段包括油浴槽和树脂槽,所述的树脂槽套设在油浴槽中,所述的油浴槽的两端设置有加热棒；所述的成型段包括支架、夹持装置和磨具,所述的支架垂直固定在油浴槽的两侧,所述的夹持装置固定在支架上,所述的磨具固定夹持装置之间。该装置基于熔体拉挤浸渍技术,提高了连续纤维和基体的润湿性,减小制成丝束的孔隙率,提高了制成结构件的力学性能。(The invention discloses a preparation device for a fiber reinforced composite material 3D printing tow consumable, which comprises a filament discharging rack, a fiber wetting section, a cooling section and a filament winding device which are sequentially arranged, wherein a forming section is fixedly arranged at the tail end of the fiber wetting section; the fiber wetting section comprises an oil bath groove and a resin groove, the resin groove is sleeved in the oil bath groove, and heating rods are arranged at two ends of the oil bath groove; the forming section comprises supports, clamping devices and grinding tools, the supports are vertically fixed on two sides of the oil bath groove, the clamping devices are fixed on the supports, and the grinding tools are fixed between the clamping devices. The device is based on the melt pultrusion impregnation technology, improves the wettability of continuous fibers and a matrix, reduces the porosity of the prepared tows, and improves the mechanical property of the prepared structural member.)

一种用于纤维增强复合材料3D打印丝束耗材的制备装置

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种用于纤维增强复合材料3D打印丝束耗材的制备装置。

背景技术

连续纤维增强复合材料3D打印技术是目前3D打印领域的热点，其基本原理是将树脂基体和连续纤维充分混合，通过步进电机将连续纤维复合材料从加热喷头中挤出，利用一般3D打印机的机械结构将喷嘴中挤出的材料层层堆叠制造各种具有复杂结构的复合材料结构。利用连续纤维增强复合材料进行3D打印制造的零件，与利用PLA/ABS等常规3D打印耗材进行3D打印制造的零件相比，前者具有更加优良的力学性能，在拉伸模量和强度等方面远超后者。

但是现有的连续纤维增强复合材料3D打印技术都是将连续纤维和树脂基体直接在喷头处进行润湿，这会导致基体和连续纤维的润湿性较差，制造的结构件在受力时容易出现纤维和基体分离的现象，大大降低其力学性能。

因此，本发明基于熔体拉挤浸渍技术，采用特殊结构的拉挤模头，让均匀分散、预加张力的连续纤维通过一连串轮系间流动着熔融态的基体树脂的辊轮系统，反复多次承受交替的变化，促使纤维和熔体强制性的浸渍，达到理想的浸渍效果。

发明内容

为了解决现有技术存在的缺点，本发明基于熔体拉挤浸渍技术提供一种用于纤维增强复合材料3D打印丝束耗材的制备装置。在进行3D打印前，预先利用本发明制成连续纤维复合材料丝束耗材，提高了连续纤维和基体的润湿性，减小制成丝束的孔隙率，提高了制成结构件的力学性能。

为了达到上述技术效果，本发明具体通过以下技术方案实现：

一种用于纤维增强复合材料3D打印丝束耗材的制备装置，包括依次设置的放丝料架、纤维润湿段、冷却段和收丝卷绕装置，所述的纤维润湿段末端固定设置有成型段；

所述的纤维润湿段包括油浴槽和树脂槽，所述的树脂槽套设在油浴槽中，所述的油浴槽的两端设置有加热棒；

所述的成型段包括支架、夹持装置和磨具，所述的支架垂直固定在油浴槽的两侧，所述的夹持装置固定在支架上，所述的磨具固定在夹持装置之间。

所述的油浴槽和树脂槽上分别卡接有油浴盖和树脂槽盖，所述的油浴盖和树脂槽盖的两端均设置有用于连续纤维丝束通过的线槽。

所述的油浴槽内前端架设设置有第一转向柱，所述的树脂槽内的两端分别横向固定有第二转向柱。

所述的支架与树脂槽内末端的第二转向柱位于同一位置。

所述的支架为凹型结构，在凹型支架上设置有滑槽，所述的夹持装置通过螺栓与滑槽固定，夹持装置可沿滑槽上下移动，在夹持装置的上端设置有第三转向柱，所述的第三转向柱通过螺栓和滑槽固定设置。

所述的冷却段由底座和第四转向柱组成，所述的底座上两端分别架设有第四转向柱。

所述的收丝卷绕装置包括卷绕电机、排线电机、排线导轨和收丝料盘，所述的收丝料盘与卷绕电机通过联轴器连接，所述的排线电机通过联轴器连接有丝杠，所述的丝杠设置在排线导轨上，所述的排线导轨上与丝杠平行设置有光杆，在丝杠和光杆上设置有排线滑块，排线滑块在丝杠的作用下沿光杆来回移动。

当需要进行制备所需耗材时，根据需要安装好所述模具，调节所述摸具夹持装置的高度。从所述放丝料架中拉出连续纤维，依次经过树脂槽、模具和收丝卷绕装置，预先启动加热棒，待树脂槽加热至设定温度时再启动收丝卷绕装置，即可实现所需耗材的制备。

本发明使用油浴时可加热常规低温树脂，包括但不限于PLA、PP、ABS等普通热塑性树脂，当需要加热高温热塑性树脂时，包括但不限于PPS、PEEK等树脂，使用高温加热树脂槽替换树脂槽，高温加热树脂槽上设计有加热棒，直接使用加热棒对高温加热树脂槽进行加热，无需再对油浴槽进行加热。

本发明的有益效果为：

该装置可以实现连续纤维增强复合材料3D打印耗材的制备，通过该装置和方法制备的连续纤维增强复合材料3D打印耗材，其基体和连续纤维间的润湿性更好，孔隙率更小，能够大大提高其力学性能。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明连续纤维润湿段的结构示意图；

图3是本发明油浴槽和树脂槽的结构示意图；

图4是本发明成型段的结构示意图；

图5是本发明冷却段的结构示意图；

图6是本发明收丝卷绕装置的结构示意图；

图7是本发明高温加热树脂槽的结构示意图；

图中：

1、放丝料架；

2、纤维润湿段，21、油浴盖，22、树脂槽盖，23、第一转向柱，24、加热棒，25、油浴槽，26、树脂槽，27、第二转向柱，28、高温加热树脂槽，29、第五转向柱；

3、成型段，31、支架，32、夹持装置，33、磨具，34、第三转向柱；

4、冷却段，41、第四转向柱；

5、收丝卷绕装置，51、卷绕电机，52、排线导轨，53、丝杠，54、排线滑块，55、收丝料盘，56、排线电机。

具体实施方式

下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种用于纤维增强复合材料3D打印丝束耗材的制备装置，包括放丝料架1、纤维润湿段2、成型段3、冷却段4、和收丝卷绕装置5。放丝料架1设置在纤维润湿段2的前端，成型段3垂直固定在纤维润湿段2上，冷却段4设置在纤维润湿段2的后端，收丝卷绕装置5设置在冷却段4的后端。连续纤维丝束从放丝料架1依次经过纤维润湿段2、成型段3和冷却段4后用收丝卷绕装置5收集备用。

如图2和图3所示，纤维润湿段2包括油浴槽25和树脂槽26，其中树脂槽26套设在油浴槽25中，油浴槽25的两端设置有加热棒24。油浴槽25和树脂槽26上分别卡接有油浴盖21和树脂槽盖22，油浴盖21的前端和树脂槽盖22的两端设置有用于连续纤维丝束通过的线槽。油浴槽25内前端架设设置有第一转向柱23，树脂槽26内的两端分别横向固定有第二转向柱27。

在使用时，油浴槽25中盛满加热用油，树脂槽26中为树脂，利用加热棒24将油浴槽25中的油加热，通过油浴再使树脂槽26中的树脂均匀加热，使树脂变为液体状。然后连续纤维丝束从放丝料架1经过第一转向柱23、树脂槽26前端第二转向柱27，穿过树脂槽26经树脂槽26后端第二转向柱27至成型段3。树脂槽盖22放置于树脂槽26上，用于减少树脂槽26热量散失，油浴盖21放置于油浴槽25上，用于减少油浴槽25热量散失。

如图4所示，成型段3包括支架31、夹持装置32和磨具33，支架31垂直固定在油浴槽25的两侧，支架31位于树脂槽26内后端第二转向柱27的上部，夹持装置32固定在支架31上，磨具33固定夹持装置32之间。其中支架31为凹型结构，在凹型支架31上设置有滑槽，夹持装置32通过螺栓固定在支架31上，夹持装置32可沿滑槽上下移动用于调节高度，在夹持装置32的上端设置有第三转向柱34，第三转向柱34通过螺栓和滑槽固定设置。磨具33为中空圆柱状，转过夹持装置32固定，可以供纤维丝束通过。

如图5所示，冷却段4由底座和第四转向柱41组成，底座上两端分别架设有第四转向柱41。从成型段3出来的纤维丝束经过两个第四转向柱41，两个第四转向柱41之间存在一定距离，在室温环境下进行冷却后送至收丝卷绕装置5。

如图6所示，收丝卷绕装置5包括卷绕电机51、排线电机56、排线导轨52和收丝料盘55，其中收丝料盘55与卷绕电机51通过联轴器连接，排线电机56通过联轴器连接有丝杠53，丝杠53设置在排线导轨52上，在丝杠53的两侧分别设置有光杆，光杆固定在排线导轨52上，丝杠53和光杆上设置有排线滑块54，通过丝杠53的正转和反转带动排线滑块54在光杆上来回移动，从而使得连续纤维丝束在收丝料盘55上均匀分布。

如图7所示的高温加热树脂槽28，当需要加热的树脂融化温度较高时(例如PEEK等耐高温热塑树脂)，将不采用油浴加热方式，而是使用高温加热树脂槽28替换树脂槽，高温加热树脂槽28上设计有加热棒24，直接使用加热棒24对高温加热树脂槽28进行加热，无需再对油浴槽进行加热。高温加热树脂槽28上设置有耐高温盖，耐高温盖的两端设置有线槽用于纤维丝束通过，在高温加热树脂槽28内两端设置有第五转向柱29。纤维丝束通过第一转向柱23经第五转向柱29穿过高温加热树脂槽，再经第五转向柱29去往成型段。

本发明在使用时，启动卷绕电机51和排线电机56，装置进行工作，连续纤维在树脂槽26中进行润湿，通过纤维转向柱使连续纤维运动转为垂直向上运动，连续纤维从树脂槽26中出来后，经过模具进行定型，在冷却段4进行冷却，再经过收丝卷绕装置5将制成的丝束卷绕成卷。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。