一种纤维分布可控的纤维复合材料3d打印方法
技术领域
1.本发明属于3d打印技术领域，特别涉及一种纤维分布可控的纤维复合材料3d打印方法。
背景技术：2.连续纤维增强复合材料是一类质轻但在强度、刚度等性能上可媲美传统金属、合金材料的热门复合材料，目前已在航空航天、汽车、交通、工业装置、体育等领域有较多成功的应用成果。熔融长丝制造(fff)3d打印技术的低成本、个性化制造等优势，进一步促成了纤维增强复合材料在更为广泛的场景中的应用。
3.相较于预浸渍连续纤维增强复合材料的3d打印，原位复合浸渍连续纤维增强复合材料的3d打印省去了使用预浸渍设备预浸处理纤维束的步骤，具有低成本、纤维含量即时可控的巨大优势。但是目前市面上的通用单孔喷嘴的劣势也是显而易见的：一是喷嘴内树脂往往粘度较大，从丝材入口到喷嘴出口熔体对纤维束的压力不断下降，熔融树脂对小体积的纤维束尚且难以浸渍完全，当纤维含量增加时，纤维间的聚集会更加不利于树脂对纤维束的浸渍，从而导致复合材料内存在较多孔隙，这些孔隙将会显著降低材料的性能；二是当使用不同种类的纤维束进行混杂打印来实现差异化性能时，不同类型的纤维束将会互相缠绕紊乱，难以实现材料差异化性能的可控设计。
技术实现要素：4.本发明所要解决的技术问题是提供一种纤维分布可控的纤维复合材料3d打印方法，本发明通过使用分束丝对喷嘴出口进行分区，来实现纤维的分束喂入与分束沉积，从而达到减少材料孔隙，控制不同束纤维可控沉积的目的。
5.本发明提供一种纤维分布可控的纤维复合材料3d打印方法，包括：
6.(1)在通孔喷嘴内设置分束丝，分束丝位于竖直出口段或收缩出口段内，两端分别设置在喷嘴出口内壁面或收缩内壁面上，得到分束喷嘴；
7.(2)根据材料所要求的纤维束分布以及预设的打印路径，调整步骤(1)中分束喷嘴位置，使打印零时刻时，分束丝与打印平面的横向或纵向成一定角度；
8.(3)将树脂材料和纤维束喂入步骤(2)中分束喷嘴中，将纤维束分别引入不同分区内，树脂长丝经由齿轮送丝，进行3d打印，得到纤维增强树脂的复合丝。
9.优选地，所述步骤(1)中分束丝为刚性或柔性，分束丝为刚性时，分束丝外端可焊接在喷嘴出口内壁面或收缩内壁面上，或卡位在喷嘴出口内壁面或收缩内壁面上刻蚀出的光滑内凹轨道上，对于后者，在打印路径变化时分束丝7会因纤维张力而自动调整位置；分束丝为柔性时，可穿入喷嘴出口内壁面上的孔内进行固定。
10.优选地，所述步骤(1)中分束丝为金属材质或非金属材质，所述金属材质为钢丝或铁丝，所述非金属为芳纶纤维。分束丝需耐热性良好、表面光滑、粗细均匀、具有一定强度，细度越细越好。
11.优选地，所述步骤(1)中分束丝有1根或若干根，分束丝外端在竖直方向上可以位于相同的或不同的平面上。
12.优选地，所述步骤(1)中通孔喷嘴包括外螺纹、喷嘴外壁面、竖直内壁面、收缩内壁面和出口内壁面；所述分束丝位于喷嘴内，将喷嘴出口分区。
13.优选地，所述步骤(2)中分束丝与打印平面的横向成角度为0
°
、30
°
、45
°
或60
°
。
14.优选地，所述步骤(3)中纤维束使用同种或不同种、单丝数相同或不相同的低单丝数连续纤维。
15.优选地，所述步骤(3)中树脂材料为聚乳酸、尼龙、abs、聚碳酸酯或peek。
16.优选地，所述步骤(3)中纤维束包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或几种。
17.熔融长丝制造(fff)3d打印技术的工艺原理是：一定直径(比如1.75mm或2.85mm)的耗材在送丝齿轮的作用下以一定的速度进入到高温的打印喷头内，在其中受热熔融，在源源不断进入的丝材的挤压力作用下，熔融树脂经一定孔径(比如规格有0.4mm、0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.5mm等)的喷嘴挤出，沉积到较低温度的沉积床上受冷固化。喷头在挤出树脂的同时，按照一定的路径行进，每完成一层的沉积，喷头会抬升一个层高的高度进行下一层的沉积，由此层层堆积即得到三维实体。
18.有益效果
19.现有技术使用常规单孔喷嘴进行连续纤维复合材料的原位复合浸渍3d打印的工艺中，存在高体积含量纤维束与树脂浸渍不完全，高单丝数纤维束或混杂纤维束打印过程中纤维分布紊乱、不可控的问题，本发明在喷嘴出口设置分束丝，将出口分区，通过使纤维分区喂入来改善树脂对纤维束的不完全浸渍，通过控制不同区引入纤维束的数量和种类以及分束丝相对打印平面横向的角度来设计沉积丝中纤维的分布，从而实现纤维沉积可控的低孔隙复合材料3d打印。其中分束丝的存在可以加大树脂与纤维束的接触面积，纤维分束后更细，在有限时间和行进长度内，树脂浸渍到纤维束内部更加容易，从而改善二者的复合情况。
附图说明
20.图1是常规单孔喷嘴剖面图(以圆孔喷嘴为例)。
21.图2是本发明分束喷嘴的剖面图(基于圆孔喷嘴)。
22.图3是本发明3d打印喷嘴底视图(基于圆孔喷嘴，以双区喷嘴为例)。
23.图4是本发明3d打印喷嘴底视图(基于圆孔喷嘴，以三区喷嘴为例)。
24.图5是本发明3d打印喷嘴底视图(基于圆孔喷嘴，以四区喷嘴为例)。
25.图6是本发明3d打印喷嘴底视图(基于圆孔喷嘴，以五区喷嘴为例)。
26.图7是本发明3d打印喷嘴底视图(基于圆孔喷嘴，以六区喷嘴为例)。
27.图中：1为外螺纹，2为喷嘴外壁面，3为竖直内壁面，4为收缩内壁面，5为出口内壁面，6为喷嘴出口边缘，7为分束丝。
具体实施方式
28.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人
员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
29.实施例1
30.一种纤维分布可控的纤维复合材料3d打印方法，包括：
31.(1)在通孔喷嘴内设置一根细钢丝分束丝，分束丝位于竖直出口段内，两端分别焊接在喷嘴出口内壁面的相同高度上，得到分束喷嘴；
32.(2)预设打印路径为每层均为同心打印路径，调整喷嘴位置，使打印零时刻时，分束丝与打印平面的横向成0
°
；
33.(3)将纤维束a(200d凯夫拉芳纶纤维)和纤维束b(1k碳纤维)分别引入两个区内，abs树脂长丝经由齿轮送丝，当打印头沿横向移动时，纤维束a和纤维束b将分布在横向打印路径的两侧，当打印头纵向移动时，两区相对于打印头的前后位置将会使两束纤维层叠分布，另由于分束丝的分隔作用与熔融树脂的渗透作用，熔融树脂将会浸渍到纤维束a和纤维束b内部及两束纤维之间，即打印得到纤维束a和纤维束b横向双边分布、纵向层叠分布的低孔隙复合材料。
34.其中步骤(1)中分束喷嘴包括常规圆形通孔喷嘴，内流道包括竖直段、收缩段及出口段。细钢丝分束丝，两端嵌入出口内壁面，从而沿喷嘴出口端平面对称轴将喷嘴出口分作两个区，两束纤维束可分别经由该两区挤出。
35.实施例2
36.分束丝因处于高温喷嘴中，应具有良好的耐热性，又因需承受纤维的张力和树脂的压力，需要具有一定的强度，还需要表面光滑、粗细均匀以尽可能减少对纤维的破坏以及对挤出树脂的干扰，可以采用芳纶纤维，其余均与实施例1相同，得到复合材料。
37.实施例3
38.将步骤(1)中出口内壁面的壁面上刻蚀出一条光滑内凹轨道，将刚性分束丝外端卡位在其中，从而在打印路径变化时分束丝会因纤维张力而自动转动到与打印路径平行的位置，对于分束双区喷嘴，两束纤维可以始终沉积在打印路径两侧，其余均与实施例1相同，得到复合材料。
39.实施例4
40.分束丝可以是两根或更多根(如图3-5)，为了尽可能减少对树脂挤出的影响，不同取向的分束丝外端可以分别分布在竖直方向上的不同平面上，同样可以实现分区效果，其余均与实施例1相同，得到复合材料。
技术特征：1.一种纤维分布可控的纤维复合材料3d打印方法，包括：(1)在通孔喷嘴内设置分束丝，分束丝位于竖直出口段或收缩出口段内，两端分别设置在喷嘴出口内壁面或收缩内壁面上，得到分束喷嘴；(2)根据材料所要求的纤维束分布以及预设的打印路径，调整步骤(1)中分束喷嘴位置，使打印零时刻时，分束丝与打印平面的横向或纵向成一定角度；(3)将树脂材料和纤维束喂入步骤(2)中分束喷嘴中，将纤维束分别引入不同分区内，树脂长丝经由齿轮送丝，进行3d打印，得到纤维增强树脂的复合丝。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中分束丝为刚性或柔性，分束丝为刚性时，分束丝外端可焊接在喷嘴出口内壁面或收缩内壁面上，或卡位在喷嘴出口内壁面或收缩内壁面上刻蚀出的光滑内凹轨道上；分束丝为柔性时，可穿入出口内壁面上的孔洞进行固定。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中分束丝为金属材质或非金属材质，所述金属材质为钢丝或铁丝，所述非金属材质为芳纶纤维。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中分束丝有1根或若干根，分束丝外端在竖直方向上可以位于相同的或不同的平面上。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中通孔喷嘴包括外螺纹、喷嘴外壁面、竖直内壁面、收缩内壁面和出口内壁面；所述分束丝位于喷嘴内，将喷嘴出口分区。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中分束丝与打印平面的横向成角度为0
°
、30
°
、45
°
或60
°
。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中纤维束使用同种或不同种、单丝数相同或不相同的低单丝数连续纤维束。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中树脂材料为聚乳酸、尼龙、abs、聚碳酸酯或peek。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中纤维束包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或几种。
技术总结本发明涉及一种纤维分布可控的纤维复合材料3D打印方法。该方法包括：在通孔喷嘴内设置分束丝，分束丝位于竖直出口段或收缩出口段内，两端分别设置在喷嘴出口内壁面或收缩内壁面上，得到分束喷嘴；调整分束喷嘴位置，使打印零时刻时，分束丝与打印平面的横向或纵向成一定角度；将树脂材料和纤维束喂入分束喷嘴中，将纤维束分别引入不同分区内，树脂长丝经由齿轮送丝，进行3D打印。该方法通过控制不同区引入纤维束的数量和种类以及分束丝相对打印平面横向的角度来设计沉积丝中纤维束的分布，从而实现纤维分布可控的低孔隙复合材料3D打印。而实现纤维分布可控的低孔隙复合材料3D打印。而实现纤维分布可控的低孔隙复合材料3D打印。
技术研发人员：权震震 刘程 张弘楠 覃小红 俞建勇
受保护的技术使用者：东华大学
技术研发日：2022.07.12
技术公布日：2022/11/1
