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3D打印技术制备连续纤维增强热塑性高分子复合材料工艺

更新时间: 2019-12-01 15:05:23  查看次数: 385    

Orbital Composites公司针对连续玻璃纤维增强复合材料开发了一款名为Coaxial Extruder的喷头,用于玻璃纤维、塑料长丝或环氧树脂焊料之间的结合。该喷头使用的玻璃纤维不需要预先浸润,可以直接在喷头中将玻璃纤维和塑料进行复合后挤出打印,该公司主要进行喷头的设计生产,致力于将现有的打印机在更换其喷头后进行升级换代。


Saarl等开发了一种新型的增材制造技术,旨在拓展熔融沉积(FDM)工艺的功能,使其可以进行多种材料3D打印并将金属固体导线或其他纤维与聚合物结合成为一体,称为纤维封装增材制造技术(FEAM)。该研究中,在传统的FDM打印机上添加了一根轴用来保证纤维供给速度与挤出喷头速度相协调,纤维的铺设是通过一个导引管实现的。在喷头挤出流动的基体材料的同时铺设纤维从而使得纤维立即被封装包覆,形成两相的同轴复合材料。这种成型方法不需要多余的工序和预制时间,但是在打印复杂的曲线路径和纤维的自动供给及停止等方面还有待进一步提高。


西安交通大学申请专利针对连续纤维增强3D打印技术提出了两种不同的打印机结构和一种喷头结构,是针对普通FDM打印机运动平台的连续纤维3D打印头结构,通过步进电机驱动、同步带传动使喷头内的螺杆进行转动,卷取长丝材料后将其熔融并输送。连续纤维从螺杆中的孔洞穿过,在喷嘴处于熔融的聚合物复合后挤出。用于机械手的连续纤维3D打印头,与之前的喷头结构和工作原理相似,区别在于该喷头结构直接由多自由度的机械手驱动螺杆而无需同步带;而且由机械手作为3D打印运动平台,可以获得更加灵活、复杂的打印方式。一种连续纤维增强复合材料智能打印头,该喷头将长丝材料注入并将其熔融,连续纤维通过针管后与熔融的热塑性基体材料在喷嘴头部复合后挤出。以上两类喷头的结构中均设置有纤维切断装置使得纤维可以进行任意铺设,但是切断装置的具体结构和原理并未说明。余金文等申请专利中介绍了一种连续长纤维复合熔融堆积的3D打印机,长纤维输送管与螺杆分开装配,长纤维输送管出口与喷嘴入料口的距离可调,可以在打印平台的内部空腔充入导热液体。


Fischer等设计的喷头结构是纤维从喷头侧面通道进入主通道,在经过计算分析后得出熔融的热塑性材料本身并不能运送纤维而且由于其本身流动速度较慢也无法形成类似于喷水泵的吸引力来运送纤维,所以在两个通道汇合处采用光滑过渡的设计,而且两个通道接触的长度有几毫米长。这样设计的目的在于熔融的材料在主通道内流动时会与旁侧通道内的纤维粘结几毫米长的距离,而这足以拖动纤维一起挤出并保证二者的进给速度一致。使用该喷头结构的3D打印线型图。使用热塑性弹性体作为基体材料,与3K玻璃纤维进行一段直线打印,主要目的是测试玻璃纤维与熔融的热塑性弹性体结合的情况。该研究还处在最初阶段,未对纤维的浸润和包覆情况做详细的测试,也没有打印成型完整的试样用于机械性能的测试。



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