一种复合纤维3D打印装置及方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，特别是涉及一种复合纤维3D打印装置及方法。

背景技术

目前，常用的3D打印丝材主要为纯热塑性丝材，包括丙烯睛一丁二烯一苯乙烯共聚物(ABS)，聚乳酸(PLA)等，其具有承载能力弱，层间性能极差，拉伸强度不足等明显缺陷，这些缺陷严重地限制了其进一步的应用与发展。为了提高3D打印成型件的性能以满足更多应用领域的要求，很多国内外高校和企业研发团队开始了用于3D打印的纤维增强树脂基复合材料的研究，以提高3D打印成型件的性能。

在基体材料中加入连续纤维增强相，形成二相或者及其以上的复合纤维材料，可达到较高的比强度，比模量，且这种材料成型的零件有着较好的可设计性、韧性、耐冲击性能和耐疲劳性能。

但现有的各类纤维其表面活性基团难以使纤维与树脂充分浸润，导致构件的纤维-树脂界面较差，以及现有打印过程中，纤维增强相在成型轨迹中纤维路径单一，分布状态不够均匀，使得打印件整体的力学性能较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合纤维3D打印装置，通过将纤维通道设置于内喷嘴内部，利用喷头的转动，使得纤维增强相在纤维内成螺旋状结构，解决了现有纤维与树脂难以充分浸润和纤维增强相在成型轨迹中纤维路径单一，分布状态不够均匀的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种复合纤维3D打印装置，包括通过连接轴依次连接的喷头，旋转接头和电机，用于通过电机带动喷头转动；所述喷头包括底座，连接于底座的内喷嘴和外喷嘴，所述内喷嘴内设置有若干纤维通道，且底座开设有与内喷嘴、外喷嘴，以及若干纤维通道一一连通的进料口。

作为本发明的一种优选技术方案，若干所述纤维通道沿内喷嘴的圆周方向均布设置。

作为本发明的一种优选技术方案，所述进料口沿内喷嘴的圆周方向均布设置。

根据上述的一种复合纤维3D打印方法，包括以下步骤：

步骤一：将纤维外相通入外喷嘴，纤维内相通入内喷嘴，以及纤维增强相分别通入纤维通道；

步骤二：通过打印设备带动喷头移动，使得喷头挤出由纤维内相和纤维外相包裹纤维增强相的复合纤维，且通过电机带动喷头转动，使得纤维增强相成螺纹状结构；

步骤三：通过调节喷头的打印移动速度v和/或转速ω，实现对复合纤维内纤维增强相螺纹螺距的调节。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤三中喷头的打印移动速度v与转速ω的调节关系ω′＝Rω/v，其中，R为外喷嘴出口端的半径。

作为本发明的一种优选技术方案，还包括喷头的打印移动速度v与挤出复合纤维流量的调节关系Q′＝Q/vπR2，Q为喷头挤出的复合纤维流量。

作为本发明的一种优选技术方案，还包括对喷头的高度调节，其中，h′＝h/2R，其中，h为喷头出口端与打印面的最高距离。

作为本发明的一种优选技术方案，所述喷头与打印面的夹角为0～90°。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过将多个纤维通道设置于内喷嘴内，通过电机带动喷头转动，打印时形成由纤维内层和纤维外侧包裹纤维增强相的复合纤维结构，并且纤维增强相在复合纤维内部成均匀的螺旋状结构，使得纤维与树脂得到充分浸润，并且，纤维增强相在成型轨迹中的路径成螺旋状，从而提高纤维增强相在分布的均匀性，使得通过复合纤维打印的打印件整体的力学性能得到有效的提高。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种复合纤维3D打印装置的结构示意图；

图2为喷头的结构示意图；

图3为图2的仰视图；

图4为图3中A-A处的剖视图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-喷头，2-旋转接头，3-电机，101-底座，102-内喷嘴，103-外喷嘴，104-纤维通道，105-进料口。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一

请参阅图1所示，本发明为一种复合纤维3D打印装置，包括通过连接轴依次连接的喷头1，旋转接头2和电机3，喷头1，旋转接头2和电机3安装于3D打印设备上，用于在打印过程中通过电机3带动喷头1转动。

如图2～4所示，喷头1包括底座101，连接于底座101的内喷嘴102和外喷嘴103，内喷嘴102内设置有若干纤维通道104，且底座101开设有与内喷嘴102、外喷嘴103，以及若干纤维通道104一一连通的进料口105。

以如图中的两个纤维通道104为例，内喷嘴102和外喷嘴103同轴设置，且出口端为缩口结构，使得出口端形成流动聚焦效果。两个纤维通道104位于内喷嘴102内部，并与底座101连接，两个纤维通道104沿内喷嘴102的圆周方向均布设置。

进料口105个数为四个，其中两个分别与两个纤维通道104连通，另外两个分别与内喷嘴102和外喷嘴103连通，进料口105沿内喷嘴102的圆周方向均布设置，使得喷头1整体在圆周方向的重量分布均匀，有利于提高喷头1转动时的稳定性。

进料口105通过管道与旋转接头2连接，并通过管道与原料连通，通过设置旋转接头2，使得喷头1在转动的过程中管道不会产生缠绕。

实施例二

在实施例一的基础上，一种复合纤维3D打印方法，包括以下步骤：

步骤一：将纤维外相通入外喷嘴103，纤维内相通入内喷嘴102，以及纤维增强相分别通入两个纤维通道104。其中，纤维增强相为PDMS和/或PEGDA，纤维外相包括但不限于ETPTA或脲醛树脂等，纤维内相包括但不限于明胶溶液或琼脂溶液等。

步骤二：通过3D打印设备带动喷头1移动，使得喷头1挤出由纤维内相和纤维外相包裹纤维增强相的复合纤维，且通过电机3带动喷头1转动，使得纤维增强相成螺纹状结构，其中，复合纤维直径：100～500μm，纤维增强相的螺距：10～100μm，螺旋直径：80～300μm，打印时可通过紫外固化或热固化形式对复合纤维进行固化。

步骤三：打印过程中，喷头1与打印面的夹角记为θp，调节喷头1与打印面的夹角θp为0～90°，如25°或45°等。

通过调节喷头1的打印移动速度v和/或转速ω，实现对复合纤维内纤维增强相螺纹螺距的调节。其中，喷头1的打印移动速度v与转速ω的调节关系ω′＝Rω/v，R为外喷嘴103出口端的半径。

同时，还包括喷头1的打印移动速度v与挤出复合纤维流量的调节关系Q′＝Q/vπR2，Q为喷头1挤出的复合纤维流量，以及对喷头1的高度调节，其中，h′＝h/2R，Q为喷头1挤出的复合纤维流量，h为喷头1出口端与打印面的最高距离。

具体的，当保持θp为90°，即喷头1与打印面垂直时，Q′＝1，即打印移动速度v与挤出复合纤维流量正好匹配，以及和h′等于1时，即说明复合纤维的直径等于喷头1的内径。此时，随着ω′的增大，即喷头1的转速逐渐升高时，则纤维增强相的螺距逐渐减小，从而可提高纤维增强相的密封。

而当h′逐渐增大时，即喷头1距离打印面的距离增大时，则随着ω′的增大复合纤维的形态逐渐扭曲，即喷头1的高度增大，影响打印时复合纤维的稳定性。可知，在不同的打印条件下，当h′＝1时，复合纤维的稳定最好。

在Q′、ω′和h′保持不变的情况下，通过对比θp为90°、45°和25°时复合纤维的形态，可明显得出，θp的减小，在挤出过程中纤维增强相的形状更加对称和均匀，从而有利于提高纤维增强相在复合纤维内部分布的均匀性，并且在θp为25°，或小于25°时纤维增强相的形状相对更加对称和均匀。

另外，通过调节Q′＝0.5，即挤出复合纤维的挤出速度小于打印时喷头1的移动速度，从而产生拉拽复合纤维的作用，使得此时复合纤维的直径小于Q′＝1时复合纤维的直径。

通过电机3带动喷头1转动，使得纤维增强相在复合纤维内部成均匀的螺旋状结构，从而将纤维与树脂得到充分浸润，并且，纤维增强相在打印成型轨迹中的路径成螺旋状，从而提高纤维增强相在分布的均匀性，使得通过复合纤维打印的打印件整体的力学性能得到有效的提高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。