一种基于FDM原理的原位浸渍连续纤维增强打印装置及复合材料增材制造方法

本发明属于增材制造的，更具体涉及一种基于fdm原理的原位浸渍连续纤维增强打印装置及复合材料增材制造方法。

背景技术：

1、fdm（fused deposition modeling，熔融沉积成型）是一种基于热塑性材料熔融挤出机制的增材制造技术，其通过加热喷头将丝材或颗粒状热塑性材料加热至熔融或半熔融状态，随后按照预设路径逐层沉积在打印平台上，冷却固化后形成三维结构。fdm原理的独特优势在于设备结构简单、成型过程稳定、材料利用率高，并且能够加工多种热塑性聚合物材料。同时，fdm技术具有较好的路径可设计性和结构可控性，可通过调节打印温度、打印速度、层高、填充路径以及材料沉积方向等参数，实现对制件宏观形状和内部结构的调控。此外，fdm成型过程中材料经历熔融-沉积-冷却固化过程，适合于热塑性复合材料的连续成型，并可进一步结合连续纤维引入，实现复合材料的定向增强与结构功能一体化制造。近年来，fdm技术已广泛应用于高分子复合材料、轻量化结构件、柔性功能器件、医疗模型以及连续纤维增强复合材料等领域。

2、在各类复合材料中，连续纤维增强型复合材料因其纤维承载路径连续，力学性能与结构设计的灵活性均显著优于短纤维及长纤维增强复合材料。将3d打印应用于连续纤维增强复合材料构件制造，能够实现复杂结构的一体化成形。然而，在该技术应用中，仍需克服多项关键挑战，包括连续纤维的稳定导入、树脂的有效浸渍以及成形过程的协同控制等核心难题。

3、在连续纤维增强复合材料的增材制造领域，现有技术中主要采用预浸料方式和原位浸渍方式对连续纤维进行处理。采用预浸料方式时，通常需要在打印前将连续纤维与树脂基体进行预先浸润，制成预浸料纤维树脂复合材料后再进行3d打印成型。该方式在成型过程中具有较好的材料稳定性和铺放一致性，但是其制备流程复杂，预浸料与打印工序相互独立，对树脂体系的粘度以及固化行为有较高的要求，并且在打印过程中难以对纤维与树脂的浸润状态及界面结合情况进行实时调控。相比较而言，原位浸渍方式在增材制造过程中将连续纤维与树脂基体进行原位复合，从而实现纤维浸润、挤出、成型的一体化过程，从而在一定程度上提高了成型工艺的灵活性和结构设计自由度。但现有原位浸渍技术也存在着一些不足，如：1、流道设计不合理，易产生纤维折断或堆积堵塞。2、树脂粘度与纤维进给速率不匹配，从而导致纤维漂移、松弛、树脂堆积，最终影响打印精度。3、界面结合质量控制困难，浸渍均匀性直接影响纤维与树脂的结合效果，现如今仍然没有在线监测或者闭环反馈机制。4、张力控制复杂，打印过程中，纤维张力、树脂粘度之间需要相互匹配，控制不当容易引发缺陷或断丝。5、缺乏模块化设计方式，现有喷头多为固定结构，不便于清理及维护。

4、因此，如何在保证连续纤维充分浸润的良好界面结合的前提下，兼顾成型稳定性与工艺适配性，仍然时连续纤维增强复合材料增材制造领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于针对上述问题，提供一种基于fdm原理的原位浸渍连续纤维增强打印装置及复合材料增材制造方法，该装置采用原位浸渍的方式，即在打印筒内部完成纤维与树脂材料的混合浸渍。该方式通过在3d打印针头中集成纤维导入通道、树脂供给与混合通道、浸渍腔、成形喷嘴这几个结构，从而实现3d打印过程，提高纤维与树脂的结合质量并简化系统结构。

2、为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明的技术方案之一：一种基于fdm原理的原位浸渍连续纤维增强打印装置，包括垂直设置的3d打印筒以及设于3d打印筒上方的张力控制设备；所述3d打印筒包括筒身以及设于筒身顶端的筒盖、设于筒身底端的3d打印针头、设于筒身外围的加热套圈；所述3d打印筒还包括穿过筒盖设置的可伸缩管；所述张力控制设备包括垂直设置的定位架以及设于定位架中部的弹簧旋钮；所述定位架设有上端小孔和下端小孔；所述可伸缩管的上端开口和下端开口分别垂直对应于定位架的下端小孔和3d打印针头的上端开口；所述筒身的内部装有热塑性树脂；连续纤维依次引入定位架的上端小孔和下端小孔中，通过旋转弹簧旋钮控制张力大小，再引入可伸缩管中，可伸缩管与3d打印针头之间为连续纤维和热塑性树脂的浸渍区域，最后从3d打印针头引出复合纤维。

4、3d打印筒上端固定有一个张力控制设备，通过此张力控制设备来控制连续纤维在打印过程中的张力，避免出现纤维在3d打印筒内部弯曲或者断裂的现象产生，最终导致打印失败或者使得打印精度降低。

5、3d打印头内部固定有一可伸缩管，供引入连续纤维时使用，连续纤维穿过可伸缩管后，从3d打印针头处引出，在打印过程中可以通过可伸缩管在3d打印筒内的长度来控制纤维与树脂的浸渍程度。连续纤维经牵引进入浸渍区域，通过加热套圈加热熔融的热塑性树脂包覆于连续纤维表面，并渗入至纤维内部，从而实现纤维与基体的原位浸渍。随后经3d打印针头挤出，按照预设路径沉积于3d打印底板上，纤维依靠自身张力不断被拉出，最终逐层堆叠形成目标构件。

6、进一步优选的，所述可伸缩管穿过筒盖、位于筒身内部的部分为长度可伸缩部分；所述可伸缩管的材料为聚四氟乙烯。

7、进一步优选的，所述浸渍区域的长度设置为65-85mm。

8、进一步优选的，所述热塑性树脂为聚氨酯树脂；所述连续纤维为超高分子量聚乙烯纤维。

9、进一步优选的，所述打印装置固定在z轴滑台上，在打印一层结束后，z轴抬高一定高度从而开始第二层打印，以此类推完成层层打印。用户也可根据需要来手动改变每一层升高的高度，从而探究不同打印高度对复合材料相关性能的影响。

10、通过上述过程形成层层堆叠结构，从而获得连续纤维增强热塑性树脂复合材料3d打印成型构件。

11、本发明的技术方案之二：一种复合材料增材制造方法，采用基于fdm原理的原位浸渍连续纤维增强打印装置，所述方法包括如下步骤：

12、（1）将连续纤维依次引入张力控制设备中定位架的上端小孔和下端小孔中，通过旋转弹簧旋钮控制张力大小，以使得连续纤维保持适当张力；再引入可伸缩管中，通过可伸缩管引入筒身内部，并从3d打印针头引出，确保连续纤维在打印装置内实现连续稳定运行；

13、（2）将热塑性树脂粉末加入筒身内部，并通过加热使其熔融，同时连续纤维在打印装置内连续运行，实现纤维与树脂的原位浸渍；随后经3d打印针头挤出复合纤维，按照预设路径沉积于3d打印底板上，最终逐层堆叠形成目标构件（即复合材料）。

14、本发明采用原位熔融浸渍增材制造方法制备连续纤维增强热塑性树脂复合材料。具体以热塑性聚氨酯（tpu）树脂为基体，以连续超高分子量聚乙烯纤维作为增强相，通过打印过程中基体熔融、纤维连续铺放与原位浸渍同步进行，实现复合材料的连续成型。该过程区别于传统预浸料铺放方式，其特点在于纤维浸渍、路径铺放和材料成型在同一增材制造过程中同步完成，属于典型的原位浸渍式连续纤维增材制造工艺。

15、在路径设计方面，连续纤维采用单向铺放方式，使纤维沿主要承载方向连续分布。单向连续纤维结构有利于增强相在外力作用下充分发挥轴向承载能力，同时也能够保持材料整体的柔性和可变性特征。复合材料中纤维体积分数控制在约25%左右，以保证纤维具有有效增强作用的同时，维持热塑性聚氨酯（tpu）基体所赋予的弹性变形能力和形状回复能力。熔融热塑性聚氨酯（tpu）基体一方面作为连续纤维之间的黏结介质，另一方面作为柔性弹性相填充与纤维周围，实现对纤维束的包覆和固定。连续超高分子量聚乙烯纤维则作为主要增强骨架，承担外力作用下的部分载荷，并限制热塑性聚氨酯（tpu）基体的过度变形。由于热塑性聚氨酯（tpu）基体具有较好的柔韧性和弹性，且连续超高分子量聚乙烯纤维在复合材料中保持连续取向分布，因此所得复合材料并非传统意义上以高刚度和高脆性为主要特征的结构复合材料，而是表现出以韧性、弹性为主导的复合材料构件。

16、进一步优选的，在引入打印装置前，所述连续纤维为经过预处理；预处理包括超声清洗、烘干；烘干的温度为40-50℃。

17、通过预处理以去除连续纤维表面污染。超高分子量聚乙烯纤维不建议高温长时间处理，避免影响取向结构和力学性能。

18、进一步优选的，在引入打印装置前，所述连续纤维为经过预处理；预处理包括将超高分子量聚乙烯纤维放入乙醇溶液中超声，超声时间为10-15min，取出后使用去离子水进行清洗，随后放入烘箱中进行烘干。

19、进一步优选的，在加入筒身内部之前，所述热塑性树脂粉末为进行预干燥，冷却至室温后密封保存备用；预干燥为在60-80℃真空干燥箱中干燥24h及以上。

20、预干燥处理以去除材料中的水分，避免在加工过程中产生气泡以及界面缺陷。

21、进一步优选的，步骤（2）的打印过程中，连续纤维的张力保持在0.5-1.0n。

22、进一步优选的，所述加热的温度不低于热塑性树脂的熔融温度。

23、进一步优选的，所述加热的温度为120-125℃。

24、进一步优选的，所述预设路径为：纤维0°铺层，打印间距为0.8-1.2mm。

25、进一步优选的，所述3d打印底板的移动速度为90-120mm/min。

26、进一步优选的，所述目标构件中连续纤维的体积分数为24-26%，以单位体积的目标构件中连续纤维所占体积百分比计算。

27、相比于现有技术，本发明的有益效果有以下方面：

28、本发明为一种基于fdm原理的原位浸渍连续超高分子量聚乙烯纤维增强打印装置，具有可实时调节纤维和树脂的浸渍程度的特点，本装置将加热系统、张力控制系统相结合，可控制打印过程中均匀稳定的挤出。并通过三轴驱动控制系统，实现3d打印连续纤维增强增材制造过程。具体表现为：

29、1.由于上端张力系统的存在使得纤维在打印筒内部不会发生卷曲或者断裂，使得打印过程均匀稳定的进行，不会因纤维卷曲而影响打印精度，更不会因为纤维断裂而造成打印中止。

30、2.若树脂需要加热后使用也可以将加热套圈套在3d打印筒外从而进行加热，使得树脂由固态转变为有一定粘度液态，从而使得纤维与树脂均匀结合。

31、3.该装置可通过3d打印筒内部穿过的可伸缩管来控制纤维与树脂的浸渍程度，通过控制可伸缩管在3d打印筒内部的长度来控制纤维与树脂的浸渍，可伸缩管在筒内较长则纤维与树脂浸渍程度降低，较短则纤维与树脂浸渍程度升高。

32、4.本发明原料直接采用连续超高分子量聚乙烯纤维，采用原位浸渍热塑性聚氨酯（tpu）树脂的方式来制造连续纤维增强复合材料，弥补了短纤维和热塑性树脂的不足，从而提升了成型构件的各项性能，现如今随着3d打印技术的广泛应用，拓展了3d打印复合材料的应用场景。

33、5.本发明旨在将超高分子量聚乙烯纤维引入增强热塑性聚氨酯（tpu）树脂的增材制造过程中，采用高性能的超高分子量聚乙烯纤维，通过上述方法简化了复杂的传统复合材料制造方法，通过增材制造技术使得该方法成为人人都可以快速上手的简便方法，并且由于超高分子量聚乙烯纤维在其中起着增强作用，使得3d打印构件获得了更好的力学性能，使其能够满足相关领域的要求，极大增强了该类复合材料的应用前景。