一种预浸润连续纤维双螺杆挤出式增材制造打印喷头

技术领域

本发明属于特种工程塑料增材制造技术领域，尤其涉及一种预浸润连续纤维双螺杆挤出式增材制造打印喷头。

背景技术

随着当今世界制造业和经济飞速的发展，高性能特种工程塑料在越来越多的领域都得到了广泛的应用。高性能特种工程塑料是指具有较高的综合性能，能在150摄氏度以上长期工作的一类工程塑料，因此又叫做耐热工程塑料。特种工程塑料具有良好的阻燃性、包覆加工性良好(可熔融挤出，而不添加使用溶剂)、良好的耐剥离性、良好的耐磨耗性、优良的生物相容性以及耐辐照性强等特点，此外这类材料具有轻重量，高强度，耐热性良好等一系列优点。

FDM工艺，又叫熔融沉积成型，现有的小型FDM工艺主要使用直径为1.75mm左右的热塑性塑料线材作为打印材料，打印头熔融线材涂覆形成每一层的形状，逐层叠加后成型三维结构。FDM工艺所需要的技术是所有3D打印工艺种类中最简单的，除了运动结构仅需要进丝结构和加热头(打印头)，FDM工艺相比较其他工艺而言，没有使用成本高昂的材料与技术，成型原理比较简单，大型的FDM打印机通常使用塑料工业中的单螺杆挤出机，在成本方面，单螺杆挤出机挤出机结构简单，价格低，易于安装和使用。

纤维增强复合材料(FRP)是由增强纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、等与基体材料经过缠绕，模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。根据增强材料的不同，常见的纤维增强复合材料分为玻璃纤维增强复合材料(GFRP)，碳纤维增强复合材料(CFRP)以及芳纶纤维增强复合材料(AFRP)。

纤维增强复合材料具有如下特点：(1)比强度高，比模量大；(2)材料性能具有可设计性；(3)抗腐蚀性和耐久性能好；(4)热膨胀系数与混凝土的相近。这些特点使得FRP材料能满足现代结构向大跨、高耸、重载、轻质高强以及在恶劣条件下工作发展的需要，同时也能满足现代建筑施工工业化发展的要求，因此被越来越广泛地应用于各种民用建筑、桥梁、公路、海洋、水工结构以及地下结构等领域中。

目前市面上纤维增强类型的打印机进丝部分多选用进给齿轮，这种打印机要求打印材料为预先制备的直径是1.75mm线状丝材，制备丝材的环节费时费力且挤丝过程中会有一些粉末材料或颗粒状材料的损耗；部分纤维增强型打印机打印的复合材料中，树脂与纤维结合的效果较差，样件的力学性能有待提高。

发明内容

本发明提供一种预浸润连续纤维双螺杆挤出式增材制造打印喷头，以解决现有FDM打印机在打印前需要预先制备丝材、以及纤维增强复合材料打印效果较差的问题。

本发明采取的技术方案是：包括支撑结构、纤维进丝机构、双螺杆树脂进料机构和混合腔，其中纤维进丝机构的等离子体发生器与支撑结构的支撑板上部固定连接，纤维进丝机构的风扇与支撑结构的风扇支架固定连接，纤维进丝机构的电机架、切断装置分别与支撑结构的支撑板下部固定连接，纤维进丝机构的预浸润装置与双螺杆树脂进料机构通过树脂通道阀门螺纹连接，混合腔通过导管与双螺杆树脂进料机构连接。

本发明所述支撑结构的结构是：固定板通过螺钉安装在支撑板的固定板孔处，风扇支架与固定板螺栓连接。

本发明所述支撑板的是：左上端有等离子体发生器固定架，右上端有进纤维导管固定座，左部有固定板孔，右下端有电机支架，电机支架下端有切断装置连接架。

本发明所述纤维进丝机构包括步进电机一、等离子体发生器、预浸润装置、进纤维导管、风扇、驱动和张紧装置、切断装置、步进电机二，紧固螺钉，从动齿轮，电机架和固定架，其中步进电机一与等离子体发生器连接，进纤维导管固定连接在支撑结构的支撑板上，预浸润装置位于进纤维导管的下方，风扇与支撑结构的风扇支架固定连接，步进电机二与电机架通过紧固螺钉固定连接，固定架与电机架固定连接，驱动和张紧装置的驱动轮与步进电机二输出端固定连接，从动齿轮安装在电机架上，切断装置位于电机架的下方。

本发明所述预浸润装置包括纤维导管安装处、壳体、热敏电阻、树脂通道阀门安装处、预浸润混合腔和加热棒，其中热敏电阻、加热棒固定连接在壳体上，壳体内部有纤维导管安装处、树脂通道阀门安装处和预浸润混合腔。

本发明所述切断装置包括连杆、曲柄、切刀、步进电机三、纤维通道、固定销、外壳，其中步进电机三与外壳固定连接，曲柄与固定销固定连接，固定销与步进电机三输出端固定连接，连杆与曲柄转动连接，切刀与连杆前端转动连接，纤维通道位于外壳中。

本发明所述双螺杆树脂进料机构包括包括步进电机、联轴器、减速齿轮、料斗、主动螺杆、从动螺杆、加热料筒、树脂通道阀门、树脂通道二、固定销和树脂通道一，其中两部分加热料筒通过固定销连接成一体，加热料筒的内腔下端的树脂通道一通过导管与混合腔相连，树脂通道二与树脂通道阀门连接，树脂通道阀门用于与预浸润装置连接，主动螺杆和从动螺杆平行设置在加热料筒的内腔内，主动螺杆通过减速齿轮与联轴器连接，联轴器与步进电机四的输出端连接，料斗通过螺钉固定在加热料筒侧面、且与加热料筒内腔连通。

本发明所述混合腔包括纤维通道、加热棒、高温喷嘴、热敏电阻、树脂通道和腔体，其中加热棒、高温喷嘴和热敏电阻分别与腔体固定连接，腔体内部有纤维通道和树脂通道，纤维通道和树脂通道交汇，纤维通道与高温喷嘴连通。

本发明的有益效果：

使用时可以在料斗中直接投入颗粒料，省去了传统FDM打印机使用前需要制备丝材的程序，节省了成本和时间，简化工序。

本发明可以进行纤维增强复合材料的打印，如树脂材料中加入连续性纤维，树脂作为主要材料，纤维作为改性材料，使得打印制件的范围更广，成型材料进一步强化，从而提高了最终构件的质量和性能，打印出的产品使用功能能够满足更多的要求，应用前景广阔。

本发明设计了预浸润结构，等离子处理和预热装置，主要作用在于使连续性纤维与熔融的树脂在打印前先融合浸润，同时在预浸腔内对被熔融树脂包裹的纤维进行等离子处理，通过等离子处理后，材料表面的表面能可以进行一定程度上的提升，这样的工艺处理也可以使表面的状态充分满足后续的打印制造工序，对实现3D打印工艺追求的高品质、高可靠性以及打印样件力学性能的优化具有很大的积极影响。

本发明在风冷装置和混合腔之间采用切断装置切断连续纤维，在提升构件整体性能的同时，缩短了从原材料强化到成型过程的周期，从而构件成型的效率也能得到提高，剪短操作实现了树脂与纤维复合强化及成型过程是同步协调完成的，因此在提升构件整体性能的同时，缩短了从原材料强化到成型过程的周期，从而构件成型的效率也能得到提高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明支撑结构、纤维进丝机构、双螺杆树脂进料机构和混合腔的结构示意图；

图3是本发明支撑板的结构示意图；

图4是本发明驱动和张紧装置的结构示意图；

图5是本发明预浸润装置壳体的结构示意图；

图6是本发明切断装置的结构示意图；

图7是本发明双螺杆树脂进料机构的结构示意图；

图8是本发明混合腔的腔体结构示意图。

具体实施方式

包括支撑结构1、纤维进丝机构2、双螺杆树脂进料机构3和混合腔4，其中：纤维进丝机构2的等离子体发生器202与支撑结构1的支撑板101上部固定连接，纤维进丝机构2的风扇205与支撑结构1的风扇支架103固定连接，纤维进丝机构2的电机架211、切断装置207分别与支撑结构1的支撑板101下部固定连接，纤维进丝机构2的预浸润装置203与双螺杆树脂进料机构3通过树脂通道阀门308螺纹连接，混合腔4通过导管与双螺杆树脂进料机构3连接。

本发明所述支撑结构1的结构是：固定板102通过螺钉安装在支撑板101的固定板孔10102处，风扇支架103与固定板102螺栓连接。

本发明所述支撑板101的是：左上端有等离子体发生器固定架10101，右上端有进纤维导管固定座10103，左部有固定板孔10102，右下端有电机支架10104，电机支架下端有切断装置连接架10105。

本发明所述纤维进丝机构2包括步进电机一201、等离子体发生器202、预浸润装置203、进纤维导管204、风扇205、驱动和张紧装置206、切断装置207、步进电机二208，紧固螺钉209，从动齿轮210，电机架211，固定架212，其中：步进电机一201与等离子体发生器202连接，进纤维导管204固定连接在支撑结构1的支撑板101上，预浸润装置203位于进纤维导管204的下方，风扇205与支撑结构1的风扇支架103固定连接，步进电机二208与电机架211通过紧固螺钉209固定连接，固定架212与电机架211固定连接，驱动和张紧装置206的驱动轮与步进电机二208输出端固定连接，从动齿轮210安装在电机架211上，切断装置207位于电机架211的下方。

本发明所述预浸润装置203包括纤维导管安装处20301、壳体20302、热敏电阻20303、树脂通道阀门安装处20304、预浸润混合腔20305、加热棒20306，其中热敏电阻20303、加热棒20306固定连接在壳体20302上，壳体内部有纤维导管安装处20301、树脂通道阀门安装处20304和预浸润混合腔20305。

本发明所述切断装置207包括连杆20701、曲柄20702、切刀20703、步进电机三20704、纤维通道20705、固定销20706、外壳20707，其中步进电机三20704与外壳20707固定连接，曲柄20702与固定销20706固定连接，固定销20706与步进电机三20704输出端固定连接，连杆20701与曲柄20702转动连接，切刀20703与连杆20701前端转动连接，纤维通道20705位于外壳20707中。

本发明所述双螺杆树脂进料机构3包括包括步进电机301、联轴器302、减速齿轮303、料斗304、主动螺杆305、从动螺杆306、加热料筒307、树脂通道阀门308、树脂通道二309、固定销310和树脂通道一311，其中两部分加热料筒307通过固定销310连接成一体，加热料筒307的内腔下端的树脂通道一311通过导管与混合腔4相连，树脂通道二309与树脂通道阀门308连接，树脂通道阀门308用于与预浸润装置203连接，主动螺杆305和从动螺杆306平行设置在加热料筒307的内腔内，主动螺杆305通过减速齿轮303与联轴器302连接，联轴器302与步进电机四301的输出端连接，料斗304通过螺钉固定在加热料筒307侧面、且与加热料筒内腔连通。

本发明所述混合腔4包括纤维通道401、加热棒402、高温喷嘴403、热敏电阻404、树脂通道405和腔体406，其中加热棒402、高温喷嘴403和热敏电阻404分别与腔体406固定连接，腔体406内部有纤维通道401和树脂通道405，纤维通道401和树脂通道405交汇，纤维通道401下端与高温喷嘴403连通。

工作原理

开始工作前，由上料机将热塑性颗粒料放进料斗304，进入料斗304中的颗粒料在自重的作用下，进入加热料筒307中，加热料筒加热，形成三个加热区，并且进入主动螺杆305、从动螺杆306的双螺杆螺槽部位，通过调节步进电机四301的转速，步进电机四301控制双螺杆的旋转速度，在双螺杆的挤压力作用下，颗粒沿着螺槽向下运动，在双螺杆挤压段被压缩并向下运输，经过各加热区加热，逐渐软化、半熔融、熔融，最后熔融状态下的树脂流到双螺杆末端，在末端处分别通过树脂通道一311和树脂通道二309进入混合腔4的树脂通道40105和预浸润装置203，调节步进电机四301转速的同时，将连续纤维5插入进纤维导管204中，连续纤维5首先通过进纤维导管204进入到预浸润装置203中，并与从树脂通道二309流过来的树脂混合，达到纤维预浸润的目的，并在此处对纤维和树脂进行等离子处理，接着预浸润的纤维5经风扇205降温风冷后，通过下方的驱动和张紧装置206和从动轮210之间并夹紧，驱动和张紧装置206在驱动电路控制下转动，带动预浸润的连续纤维向下进行送料，通过切断装置207，最终进入到加热块的混合腔4内，在混合腔4内与从树脂通道一311挤出的熔融树脂混合，使连续纤维表面包裹上树脂材料，形成复合材料；在每一层打印结束之前，控制系统发出信号，控制切断装置207中的曲柄20702、连杆20701运动，来实现其内部切刀20703的运动，将连续纤维剪断，随后预留的剩余纤维在已打印成型部分的拽动作用及挤出头规划的路径下被拉出，进而完成该层或该部位的打印过程；

通过逐层叠加，最终完成纤维增强复合材料样品的打印。