一种自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头论文和设计-张海强

全文摘要

本发明属于3D打印技术领域，其公开了一种自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头，包括挤出头本体；所述的挤出头本体内依次设有导料通道、软化通道、熔融通道；还包括用于输送基体材料至导料通道的送料机构，所述的软化通道的最小直径与基体材料的直径相适应，所述的熔融通道为用于使流体绕熔融通道的轴心螺旋前行的通道。该挤出头能够使纤维丝进入到基体材料的中心。

主设计要求

1.一种自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头，包括挤出头本体；所述的挤出头本体内依次设有导料通道、软化通道、熔融通道；其特征在于，还包括用于输送基体材料至导料通道的送料机构，所述的软化通道的最小直径与基体材料的直径相适应，所述的熔融通道为用于使流体绕熔融通道的轴心螺旋前行的通道；所述的熔融通道的内壁设有内螺纹，所述的熔融通道的末端固定有剪切刀具，导料通道、软化通道构成一个表面连续的通道结构；所述的通道结构包括一个导料坡面，所述的导料坡面倾斜布置，所述的通道结构还包括与导料坡面相对的竖直布置的内壁，所述的通道结构为一上粗下细的通道结构；垂直于通道结构长度方向的剖面为葫芦状，与导料坡面相对的竖直布置的内壁、熔融通道的轴心同轴布置。

设计方案

2.根据权利要求1所述的自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头，其特征在于，所述的熔融通道的末端设有喷嘴，所述的剪切刀具固定在所述的喷嘴的末端。

3.根据权利要求1或2所述的自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头，其特征在于，所述的挤出头本体内设有位于熔融通道外侧的电热丝；所述的挤出头本体内设有位于熔融通道和软化通道交汇处的外侧的隔热垫。

4.根据权利要求1或2所述的自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头，其特征在于，所述的熔融通道直径由上而下逐渐减小。

设计说明书

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体为一种自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头。

背景技术

连续纤维复合材料具有高模量、高强度、高韧性、热稳定性好、可设计性强等优异特性，在航空航天、国防军工以及民用工业等领域有着重要的应用前景。传统的连续纤维复合材料成型工艺有热压成型、RTM成型、缠绕成型、拉挤成型、层压成型等，对推动连续纤维复合材料的发展应用起到了十分重要的作用，但一直以来都存在一些缺点无法克服，例如大部分成型工艺需要专用的模具，成型过程复杂且加工成本高，很难实现复杂结构件的快速制造，大大限制了连续纤维复合材料的应用范围。近年来3D打印技术的快速发展使复杂纤维复合材料制品快速生产成为可能，3D打印技术所具有的操作简单、速度快、精度高等优点给连续纤维复合材料应用注入了新的活力。

连续纤维复合材料3D打印技术采用复合材料逐层堆叠的方法制造实体零件，其工作原理是将物理实体的计算机三维模型离散成一系列的二维层片，利用精密喷嘴或激光热源，根据层片信息，在数字化控制驱动下，将熔覆的复合材料通过连续的物理层叠加固化，逐层增加材料来生成三维实体产品。相比传统的连续纤维复合材料成型工艺，3D打印工艺过程简单，加工成本低，材料利用率高，降低了复合材料构件的制造成本，同时可实现复杂构件的一体化成形，为连续纤维复合材料构件的低成本快速制造提供了一个有效技术途径。

然而，目前针对连续纤维增强复合材料3D打印工艺的研究还处于起步阶段，仍然存在以下缺点：

一、挤出成型过程纤维丝与热塑性基体材料的浸润性不够，导致固化后基体材料与纤维丝的融合度不足，使得最终成型构件的力学性能仍达不到传统工艺水平。

二、无法确保复合材料挤出成型过程中纤维丝始终处于熔融基材流体中心，影响纤维丝走线路径的精准可控性，同时使得堆叠成型后层间强度差，构件性能不能完全满足实际使用需求。

三、现有连续纤维复合材料3D打印成型过程中，对连续纤维的剪切大多依靠外部剪切装置来实现，通过控制剪切装置的运动实现打印过程中跳转及打印完成时连续纤维的剪断，不仅运动结构庞大，而且需要配合复杂的运动控制算法，极大限制了连续纤维复合材料3D打印的成型速度。

CN201610683124.3公开了一种连续纤维增强热塑性树脂基复合材料3D打印方法及打印头，该打印头熔融腔与挤出头内侧设有螺旋齿环，两者按相反方向旋转，纤维束与热塑性树脂在熔融腔融化共混后受到双向旋转的螺旋齿环搅拌，使得纤维由展平状密实地缠绕成螺旋柱状，且树脂沿各纤维取向上均匀分布。该方法增强了纤维丝的密实度和浸润性，但是整体结构过于复杂、难以实现，且无法使纤维进入到基体材料的中心，打印过程中跳转或者打印完成后也无法实现对纤维丝的自动剪切。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头，该挤出头能够使纤维丝进入到基体材料的中心。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头，包括挤出头本体；所述的挤出头本体内依次设有导料通道、软化通道、熔融通道；还包括用于输送基体材料至导料通道的送料机构，所述的软化通道的最小直径与基体材料的直径相适应，所述的熔融通道为用于使流体绕熔融通道的轴心螺旋前行的通道。

需要说明的是：

一、软化通道的作用是用于使基体材料软化；该通道可以具有加热源，也可以利用熔融区的余热对基体材料进行软化，对此本发明并不做过多限制；

二、熔融通道的作用是用于使基体材料熔融；一般来说应当具有热源。

三、导料通道、软化通道、熔融通道的布置角度不做过多限制，优选由上而下依次布置，但是在实际应用中有一定的倾斜度也是可行的。

四、软化通道的最小直径应等于或略大于基体材料的直径。

在上述的自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头中，所述的熔融通道的内壁设有内螺纹。

在上述的自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头中，所述的熔融通道的末端固定有剪切刀具。

在上述的自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头中，导料通道、软化通道构成一个表面连续的通道结构；所述的通道结构包括一个导料坡面，所述的导料坡面倾斜布置。

在上述的自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头中，所述的通道结构还包括与导料坡面相对的竖直布置的内壁。

在上述的自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头中，所述的通道结构为一上粗下细的通道结构。

在上述的自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头中，垂直于通道结构长度方向的剖面为葫芦状。

上粗下细的通道结构或更为优选的葫芦状的导料通道的优势在于：可以让纤维丝在导料通道的细端移动，让基体材料在导料通道的粗端移动，两者互不干扰且各自运行稳定。

在上述的自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头中，与导料坡面相对的竖直布置的内壁、熔融通道的轴心同轴布置。

同轴设置的好处在于：在基体材料进入到熔融通道后会向一侧偏移，带动纤维丝能够更为容易的进入到基体材料的中心。

在上述的自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头中，所述的熔融通道的末端设有喷嘴，所述的剪切刀具固定在所述的喷嘴的末端。

在上述的自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头中，所述的挤出头本体内设有位于熔融通道外侧的电热丝；所述的挤出头本体内设有位于熔融通道和软化通道交汇处的外侧的隔热垫。

在上述的自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头中，所述的熔融通道直径由上而下逐渐减小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、软化通道和熔融通道配合，基体材料和纤维丝在软化通道内融合，基体材料水平挤压纤维丝使纤维丝和基体材料初步融合，基体材料会带动纤维丝向下运动并在螺旋熔融通道内自定心使纤维丝进入到基体材料的中心；依靠熔融通道的大螺旋结构实现在挤出热塑性基材流体时产生回旋吸力，牵引纤维丝实现自定心进给，使得挤出成型过程中纤维丝始终处于熔融基材流体中心，确保成型时层间结合面为同种基体材料，增强层间结合效应，大大提高成型构件的层间强度。

2、设计了导料通道。基体材料沿着导料通道进料至软化通道与竖直轴心方向的连续纤维以一定角度相交，沿坡面进给的基体材料对连续纤维在竖直方向上产生一个向下的推力，使得挤出头仅依靠一套基材送料机构即可实现基体材料和连续纤维的同步送料，大大减少了挤出头的复杂性及重量，基体材料进料的同时在水平方向上也产生一个较大的挤压力，有利于熔融态基体材料渗透进纤维丝内部，提高对连续纤维的浸润性。

3、设计了结构简单、运行可靠的剪切装置。将剪切刀具固定设置在喷嘴出口处，当打印过程中跳转或者打印完成需要剪断纤维丝时，此时基材送料机构停止动作，基体材料对纤维丝保持较大锁止力，系统仅通过控制挤出头的定向移动，即可实现连续纤维的快速剪断。整个剪切装置无需增加额外的驱动、执行机构，极大减轻了挤出头的整体重量，提高复合材料的成型速度。

4、作为一种优选方案，为了提高纤维丝的对中效果，螺旋熔融通道的直径由上而下逐渐减小，熔融基体材料流速变大，纤维丝在熔融基体材料旋流作用下迅速定位在流体的中心。

附图说明

图1为本发明的实施例1的剖视图；

图2为本发明的实施例1的挤出头本体的俯视图；

图3为本发明的实施例1的挤出头本体的剖视图；

图4为本发明的实施例1的另外一种优选方式的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、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。

实施例1

请参阅图1-3，一种自定心连续纤维复合材料3D打印挤出头，包括挤出头本体1；所述的挤出头本体1内依次设有导料通道2、软化通道3、熔融通道4；还包括用于输送基体材料A至导料通道2的送料机构5，所述的软化通道3的最小直径与基体材料A的直径相适应，所述的熔融通道4为用于使流体绕熔融通道4的轴心螺旋前行的通道。

在工作过程中，基体材料A和纤维丝B同步送入到导料通道2内，基体材料A依靠送料机构5的动力输送，而纤维丝B通过基体材料A带动运动，在导料通道2内，基体材料A一般不和纤维丝B接触，但实际应用中并不排斥基体材料A和纤维丝B接触，只不过如果纤维丝B和基体材料A接触比较容易出现缠绕的情况。基体材料A在软化通道3最小直径的位置的作用下会挤压纤维丝B使纤维丝B进入到软化的基体材料A内，所以优选的，软化通道3应当略大于基体材料A的直径。然后基体材料A和纤维丝B进入到熔融通道4内熔融并绕其基体材料A自身轴心进行自螺旋运动。最后纤维丝B会进入到基体材料A的中心并输出。

在本实施例中，用于使流体绕熔融通道4的轴心螺旋前行的通道优选为：所述的熔融通道4的内壁设有内螺纹。

作为本实施例的进一步优选，所述的熔融通道4的末端通过螺纹连接固定喷嘴6，喷嘴6末端固定有剪切刀具7。

将剪切刀具7固定设置在喷嘴6出口处，当打印过程中跳转或者打印完成需要剪断纤维丝B时，基材送料机构5停止动作，此时基体材料A对纤维丝B一端保持较大锁止力，而已成型部分制件13固化后紧紧地固定住纤维丝B另一端并粘牢在打印平台14上，纤维丝B两端完全固定约束，系统仅通过控制挤出头本体1的定向移动，即可实现剪切刀具7对连续纤维的快速剪断。整个剪切装置无需增加额外的驱动、执行机构，极大减轻了挤出头的整体重量，提高复合材料的成型速度。

在本实施例中，导料通道2、软化通道3构成一个连续表面连续的通道结构；所述的通道结构包括一个导料坡面8，所述的导料坡面8倾斜布置。导料坡面8倾斜布置的优点在于，可以将基体材料A倾斜导入到软化通道3中，这样基体材料A可以由一个对于纤维丝B更大的横向推力，使纤维丝B预先的嵌入到基体材料A中。

优选地，所述的通道结构还包括与导料坡面8相对的竖直布置的内壁9。竖直布置的内壁9是用于竖直的导入纤维丝B到导料通道2和软化通道3中，其能够充分承受基体材料A的横向推力。

优选地，所述的通道结构为一上粗下细的通道结构，垂直于通道结构长度方向的剖面为葫芦状。

上粗下细的通道结构或更为优选的葫芦状的导料通道2的优势在于：可以让纤维丝在导料通道2的细端移动，让基体材料在导料通道2的粗端移动，两者互不干扰且各自运行稳定。

在本实施例中，与导料坡面8相对的竖直布置的内壁、熔融通道4的轴心同轴布置。

同轴设置的好处在于：在基体材料进入到熔融通道4后会向一侧偏移，带动纤维丝能够更为容易的进入到基体材料的中心。

优选地，所述的挤出头本体1内设有位于熔融通道4外侧的电热丝12；所述的挤出头本体1内设有位于熔融通道4和软化通道3交汇处的外侧的隔热垫10。

在本实施例中，在软化通道3并不设置单独的加热源，通过熔融通道4的热辐射可以对软化通道3进行适度的加温；隔热垫10的大小根据实际基材的性质而决定。熔融通道4内还设有温度传感器11。

作为本实施例的进一步的优化，参考图4，所述的熔融通道4的直径由上而下逐渐减小，使得熔融基体材料流速加快，纤维丝在熔融基体材料旋流作用下迅速定位在流体的中心。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

设计图

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