本发明涉及连续纤维增强复合材料3d打印技术领域，具体涉及一种连续纤维增强复合材料预浸渍3d打印装置及方法。
背景技术：
纤维增强树脂基复合材料由于其高强度、高模量、低密度、抗疲劳等特点而被广泛应用于航空航天、交通运输、体育用品等各个领域，并在复合材料领域占有越来越重要的地位，尤其是近几年来随着研究人员对连续纤维增强热塑性树脂基复合材料的研究越来越深入，这种材料所具有的突出的优异特性使得其在复合材料领域越来越拥有很广的发展前景。而连续纤维增强热塑性树脂基复合材料表现出比热固性复合材料更大的吸引力，因为与热固性复合材料相比它具有更高的冲击韧性、更短的加工周期以及可回收利用等特征。此外，与短切纤维或长纤维相比，连续纤维的加入极大地提高了复合材料的综合力学性能，使得纤维增强树脂基复合材料的优势更加突出。将复合材料制备与3d打印技术结合起来，充分发挥连续纤维的增强作用，同时利用3d打印技术无模自由成形的优势，因此连续纤维增强复合材料3d打印技术将成为复合材料制备技术的一种最新发展趋势，是一种最有望实现复合材料低成本快速制造的新兴工艺。
目前已开发出来的用于连续纤维增强热塑性树脂基复合材料3d打印的制备工艺根据纤维与树脂在打印时的不同状态常用的有两大类，即原位浸渍和纤维预浸渍。对于原位浸渍来说，连续干纤维与热塑性聚合物基体同时被送入基于材料挤出的3d打印喷嘴处，也即在打印过中分别提供纤维与树脂，从而实现纤维在打印过程中实时浸渍与打印成形；对于纤维预浸渍来说，先生产用于制备连续纤维增强热塑性复合材料的预浸丝束，然后将预浸丝送入基于材料挤出的3d打印工艺中以制造复合材料。这种工艺方法一方面在制备预浸丝的时候纤维进行了一次浸渍，并且是一次相当充分的浸渍，而在将预浸丝束用于3d打印的过程中，已经过预浸的纤维在喷嘴内温度与压力的作用下可以实现二次浸渍。
针对于目前大多数复合材料3d打印运用的干纤维打印技术来说，越来越多的不足之处表现了出来，下面主要从宏观以及微观两个大的角度来详细描述：
从宏观角度分析，传统的连续纤维增强热塑性树脂基复合材料3d打印技术利用干纤维作为增强体进行3d打印时，在喷嘴内树脂加热融化并与纤维进行结合，纤维浸渍时间比较短，浸渍压力不足，而热塑性树脂基体的大分子结构特性使得其熔体粘度大，流动性能差，从而浸渍到纤维内部的树脂量就会很少，大量的树脂只是松散地分布在纤维束周围，少量渗透到纤维束的内部，浸渍就会不充分，树脂也很难实现在纤维中的均匀分布，浸渍的整体效果不好。
从微观角度分析，复合材料的界面结合性能以及孔隙率是决定复合材料综合力学性能的两个最重要因素。在利用干纤维进行复合材料3d打印时，纤维与树脂之间形成的弱的浸渍界面使得材料在受到外载荷时，树脂不能通过界面将负载进行有效传递；而孔隙的形成也会对载荷传递造成阻碍，树脂浸渍纤维的过程即置换纤维束内部空气的过程，因此纤维得不到充分浸渍就会造成纤维束纤维束内部“团聚”的现象发生，通过层层堆积的方式导致最终的复合材料孔隙率较高，因此综合力学性能相比于传统工艺来说还有很大差距。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种连续纤维增强复合材料预浸渍3d打印装置及方法，采用微螺杆挤出的方式通过加热以及螺杆剪切稀释作用改善树脂熔体的流变特性，为树脂提供较大的挤出压力；浸渍模具内浸渍辊的分布设计使得纤维与辊之间形成一定的包覆区域，产生局部高压；完成浸渍的丝束直接穿入打印头，进行后续的样件打印过程；可通过以上方式优化树脂浸渍纤维束的程度，实现纤维束的充分浸渍，获得良好的界面结合性能，从而实现高性能复合材料的制造一体化进程。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种连续纤维增强复合材料预浸渍3d打印装置，包括送丝模块、螺杆挤出模块、熔融浸渍模块以及打印模块；送丝模块、螺杆挤出模块分别和熔融浸渍模块的输入端配合连接，熔融浸渍模块的输出端和打印模块的输入端配合连接；
所述的送丝模块由纤维线圈支架23和导向轮组成，纤维束经过导向轮进入熔融浸渍模块；
所述的螺杆挤出模块包括步进电机4，步进电机4与微螺杆16轴端连接，微螺杆16分为螺杆送料段、螺杆压缩段与螺杆计量段三部分，微螺杆16轴端通过角接触球轴承8固定在第一螺筒14上，第一螺筒14位于螺杆送料段外侧；第一螺筒14进料口固定有料斗10；螺杆压缩段、螺杆计量段的外侧设有第二螺筒18，第二螺筒18首端连接在第一螺筒14末端，第二螺筒18末端和熔融浸渍模块连接；螺杆压缩段的第一加热线圈20、第一温度传感器19与螺杆计量段的第二加热线圈22、第二温度传感器21分别固定在第二螺筒18内外壁；
所述的熔融浸渍模块包括浸渍模具27，浸渍模具27连接在第二螺筒18的末端，在浸渍模具27内部固定有上导向辊29、下导向辊48，在浸渍模具27的浸渍腔45内放置开有狭缝的浸渍辊31，浸渍模具27下端连接有喷嘴34；
所述的打印模块包括3d打印头40，3d打印头40上部外侧连接有加热块38，3d打印头40上部设有第四温度传感器39，3d打印头40周围固定有散热扇，3d打印头40下方设有固定在xy运动平台上的打印平台42，3d打印头40装在xy运动平台上。
所述的浸渍腔45内开有直径大小比浸渍辊31的最小外圈直径略大的凹槽，用来固定浸渍辊31，浸渍模具27上开有不同直径的小孔，供加热棒33与第三温度传感器32插入。
所述的上导向辊29、下导向辊48位于同一竖直方向，并和浸渍辊31之间形成一定的夹角。
所述的一种连续纤维增强复合材料预浸渍3d打印装置的使用方法，包括下列步骤：
1)热塑性的树脂颗粒11添加到料斗10中，在重力作用下通过第一螺筒14进料口进入微螺杆16的螺杆送料段；
步进电机4运行带动微螺杆16转动，树脂颗粒11随着微螺杆16的转动依次经过螺杆送料段、螺杆压缩段、螺杆计量段，在螺杆压缩段树脂粒料11不断被挤压，在第一加热线圈20的加热作用下，树脂粒料11受热开始融化，在螺杆计量段树脂则进一步加热熔融至成为完全熔融状态，同时微螺杆16与第一螺筒14、第二螺筒18对树脂材料又存在摩擦与剪切的物理过程，随着微螺杆16的不断转动，熔融态树脂逐渐进入到浸渍模具27中直至充满浸渍腔45；
2)纤维线圈支架23上的连续纤维依次通过导向轮实现纤维束的展开；展开后的纤维进入已充满熔融态树脂基体的浸渍腔45中，首先经过上导向辊29，接着纤维绕过开有狭缝的浸渍辊31以及下导向辊48，在浸渍腔45内，纤维与浸渍辊31之间形成上下两个楔形区域，树脂在纤维的拉伸作用下沿着与纤维相同运动方向流动；另一方面树脂从浸渍辊31上的狭缝中被挤出，分布在纤维与浸渍辊31中间，最后在一对第一滚轮35、第二滚轮36的相对运动下将纤维从喷嘴34出口拉出；
3)预浸好的丝束从喷嘴34处不断挤出后经过一个第四导向轮37直接穿入加有加热块38的3d打印喷头40中，通过调节微螺杆16的转速以及第一滚轮35、第二滚轮36的转速来控制预浸丝的挤出速度；3d打印头40装在xy运动平台上，通过生成的打印路径控制xy运动平台，从而使再次经过加热的预浸丝不断堆积到打印平台42上，待一层打印结束后z轴升降台控制3d打印喷头40上升一个层厚的距离，继续进行下一层的打印，这样周而复始直到得到最终的复合材料试样41。
本发明的有益效果为：
采用本发明所提出的一种连续纤维增强复合材料预浸渍3d打印装置及方法，极大地优化了3d打印技术使用干纤维打印时所存在的纤维浸渍不充分的问题，并且创造性地将预浸丝制备与打印过程结合起来，形成连续纤维丝材制备与3d打印一体化系统，可用于制备高性能的复合材料构件，将传统的导向辊辅助预浸与先进的3d打印技术结合起来，与传统方法相比，既简化了装置，又节约了成本；与现有复合材料3d打印技术相比，又能极大地改善纤维与树脂基体的界面结合性能，使纤维得到充分浸渍，从而可以制造出力学性能更加优异的复合材料构件，推动复合材料3d打印技术向工业化应用迈出重要一步，对于促进复合材料的长远发展具有重要意义。
附图说明
图1是本发明装置的示意图。
图2是本发明装置中浸渍模具内部结构图。
图3是本发明装置中浸渍辊的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细的说明。
参照图1，一种连续纤维增强复合材料预浸渍3d打印装置，包括送丝模块、螺杆挤出模块、熔融浸渍模块；打印模块，送丝模块、螺杆挤出模块分别和熔融浸渍模块的输入端配合连接，熔融浸渍模块的输出端和打印模块的输入端配合连接；
参照图1，所述的送丝模块由纤维线圈支架23和三个竖直放置的第一导向轮24、第二导向轮25、第三导向轮26组成，三个导向轮位于一条直线上，纤维线依次经过三个导向轮进入熔融浸渍模块；
参照图1，所述的螺杆挤出模块由料斗10、微螺杆16、步进电机4、第一加热线圈20、第二加热线圈22、第一温度传感器19、第二温度传感器21、第一螺筒14、第二螺筒18等组成，其中微螺杆16分为螺杆送料段、螺杆压缩段与螺杆计量段三部分；
步进电机4通过与减速器3、齿轮轴2以及一对锥齿轮1与微螺杆16轴端连接，微螺杆16轴端通过螺栓5、轴承端盖6、套筒7、角接触球轴承8固定在第一螺筒14上，第一螺筒14位于螺杆送料段外侧；第一螺筒14进料口通过螺栓15、螺栓9固定有料斗支架13，料斗支架13通过螺栓12固定有料斗10；
螺杆压缩段、螺杆计量段的外侧设有第二螺筒18，第二螺筒18首端通过螺栓17连接在第一螺筒14末端，第二螺筒18末端和熔融浸渍模块连接；螺杆压缩段的第一加热线圈20、第一温度传感器19与螺杆计量段的第二加热线圈22、第二温度传感器21分别固定在第二螺筒18内外壁；
参照图1-图3，所述的熔融浸渍模块由浸渍模具27、上导向辊29、下导向辊48、浸渍辊31、喷嘴34组成；浸渍模具27通过螺栓30固定在第二螺筒18的末端，在浸渍模具27内部通过螺栓28固定有导向用的上导向辊29、下导向辊48，在浸渍模具27的浸渍腔45内放置开有狭缝的浸渍辊31，浸渍腔45内开有直径比浸渍辊31的最小外圈直径略大的凹槽，用来固定浸渍辊31，浸渍模具27上开有不同直径的小孔，分别为第一孔46、第二孔47，供加热棒33与第三温度传感器32插入，第三孔43是螺纹孔，便于螺栓连接浸渍模具27和外盖，浸渍模具27下端通过螺纹49连接有喷嘴34；
参照图1，所述的打印模块由3d打印头40、加热块38、打印平台42、xy运动平台、散热扇、第四温度传感器39组成；3d打印头40上部外侧连接有加热块38，3d打印头40上部设有第四温度传感器39，3d打印头40周围固定有散热扇，3d打印头40下方设有固定在xy运动平台上的打印平台42。
所述的一种连续纤维增强复合材料预浸渍3d打印装置的使用方法，包括下列步骤：
1)参照图1，热塑性的树脂颗粒11添加到料斗10中，在重力作用下通过第一螺筒14进料口进入微螺杆16的螺杆送料段；
步进电机4运行，通过锥齿轮1带动微螺杆16转动，树脂颗粒11随着微螺杆16的转动逐渐向前输送，依次经过螺杆送料段、螺杆压缩段、螺杆计量段，在螺杆压缩段树脂粒料11不断被挤压，在第一加热线圈20的加热作用下，树脂粒料11受热开始融化，在螺杆计量段树脂则进一步加热熔融至成为完全熔融状态，同时微螺杆16与第一螺筒14、第二螺筒18对树脂材料又存在摩擦与剪切等物理过程，在加热与摩擦剪切共同作用下，熔融树脂的流变特性得到优化与改善，提高了其浸渍纤维束的能力；随着微螺杆16的不断转动，熔融态树脂逐渐进入到浸渍模具27中直至充满浸渍腔45；
2)纤维线圈支架23上的连续纤维依次通过三个竖直放置的第一导向轮24、第二导向轮25、第三导向轮26实现纤维束的展开，便于熔融态树脂进行渗透，由于张力的作用，纤维束可以展开到一定的宽度；
参照图1和图2，展开后的纤维进入已充满熔融态树脂基体的浸渍腔45中，首先经过上导向辊29确保纤维束此时处于垂直方向而不因与浸渍模具27的模具壁44接触发生磨损，接着纤维绕过开有狭缝的浸渍辊31以及下导向辊48，上导向辊29、下导向辊48位于同一竖直方向，并和浸渍辊31之间形成一定的夹角；在浸渍腔45内，纤维与浸渍辊31之间形成上下两个楔形区域，在这两个区域内产生一定的压力，使得积聚大量的树脂，树脂在纤维的拉伸作用下沿着与纤维相同运动方向流动；另一方面树脂从浸渍辊31上的狭缝中被挤出，分布在纤维与浸渍辊31中间，既可以防止纤维与浸渍辊31表面直接接触对纤维造成磨损，更重要的是树脂通过狭缝作用可以产生局部高压，可以更进一步使树脂渗透到纤维内部，从而使纤维达到一个好的浸渍效果，最后在一对第一滚轮35、第二滚轮36的相对运动下将纤维从喷嘴34出口拉出；
3)预浸好的丝束从喷嘴34处不断挤出后经过一个第四导向轮37直接穿入加有加热块38的3d打印喷头40中，期间可以通过调节微螺杆16的转速以及第一滚轮35、第二滚轮36的转速来控制预浸丝的挤出速度；3d打印头40装在xy运动平台上，通过生成的打印路径控制xy运动平台，从而使再次经过加热的预浸丝不断堆积到打印平台42上，待一层打印结束后z轴升降台控制打印头上升一个层厚的距离，继续进行下一层的打印，这样周而复始直到得到最终的复合材料试样41。
1.一种连续纤维增强复合材料预浸渍3d打印装置，其特征在于：包括送丝模块、螺杆挤出模块、熔融浸渍模块以及打印模块，送丝模块、螺杆挤出模块分别和熔融浸渍模块的输入端配合连接，熔融浸渍模块的输出端和打印模块的输入端配合连接；
所述的送丝模块由纤维线圈支架(23)和导向轮组成，纤维线依次经过导向轮进入熔融浸渍模块；
所述的螺杆挤出模块包括步进电机(4)，步进电机(4)与微螺杆(16)轴端连接，微螺杆(16)分为螺杆送料段、螺杆压缩段与螺杆计量段三部分，微螺杆(16)轴端通过角接触球轴承(8)固定在第一螺筒(14)上，第一螺筒(14)位于螺杆送料段外侧，第一螺筒(14)进料口固定有料斗(10)；螺杆压缩段、螺杆计量段的外侧设有第二螺筒(18)，第二螺筒(18)首端连接在第一螺筒(14)末端，第二螺筒(18)末端和熔融浸渍模块连接；螺杆压缩段的第一加热线圈(20)、第一温度传感器(19)与螺杆计量段的第二加热线圈(22)、第二温度传感器(21)分别固定在第二螺筒(18)内外壁；
所述的熔融浸渍模块包括浸渍模具(27)，浸渍模具(27)连接在第二螺筒(18)的末端，在浸渍模具(27)内部固定有上导向辊(29)、下导向辊(48)，在浸渍模具(27)的浸渍腔(45)内放置开有狭缝的浸渍辊(31)，浸渍模具(27)下端连接有喷嘴(34)；
所述的打印模块包括3d打印头(40)，3d打印头(40)上部外侧连接有加热块(38)，3d打印头(40)上部设有第四温度传感器(39)，3d打印头(40)周围固定有散热扇，3d打印头(40)下方设有固定在xy运动平台上的打印平台(42)，3d打印头(40)装在xy运动平台上。
2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料预浸渍3d打印装置，其特征在于：所述的浸渍腔(45)内开有直径大小比浸渍辊(31)的最小外圈直径略大的凹槽，用来固定浸渍辊(31)，浸渍模具(27)上开有不同直径的小孔，供加热棒(33)与第三温度传感器(32)插入。
3.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料预浸渍3d打印装置，其特征在于：所述的上导向辊(29)、下导向辊(48)位于同一竖直方向，并和浸渍辊(31)之间形成一定的夹角。
4.根据权利要求1所述的所述的一种连续纤维增强复合材料预浸渍3d打印装置的使用方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)热塑性的树脂颗粒(11)添加到料斗(10)中，在重力作用下通过第一螺筒(14)进料口进入微螺杆(16)的螺杆送料段；
步进电机(4)运行带动微螺杆(16)转动，树脂颗粒(11)随着微螺杆(16)的转动依次经过螺杆送料段、螺杆压缩段、螺杆计量段，在螺杆压缩段树脂粒料(11)不断被挤压，在第一加热线圈(20)的加热作用下，树脂粒料(11)受热开始融化，在螺杆计量段树脂则进一步加热熔融至成为完全熔融状态，同时微螺杆(16)与第一螺筒(14)、第二螺筒(18)对树脂材料又存在摩擦与剪切的物理过程，随着微螺杆(16)的不断转动，熔融态树脂逐渐进入到浸渍模具(27)中直至充满浸渍腔(45)；
2)纤维线圈支架(23)上的连续纤维依次通过导向轮实现纤维束的展开；展开后的纤维进入已充满熔融态树脂基体的浸渍腔(45)中，首先经过上导向辊(29)，接着纤维绕过开有狭缝的浸渍辊(31)以及下导向辊(48)，在浸渍腔(45)内，纤维与浸渍辊(31)之间形成上下两个楔形区域，树脂在纤维的拉伸作用下沿着与纤维相同运动方向流动；另一方面树脂从浸渍辊(31)上的狭缝中被挤出，分布在纤维与浸渍辊(31)中间，最后在一对第一滚轮(35)、第二滚轮(36)的相对运动下将纤维从喷嘴(34)出口拉出；
3)预浸好的丝束从喷嘴(34)处不断挤出后经过一个第四导向轮(37)直接穿入加有加热块(38)的3d打印喷头(40)中，通过调节微螺杆(16)的转速以及第一滚轮(35)、第二滚轮(36)的转速来控制预浸丝的挤出速度；3d打印头40装在xy运动平台上，通过生成的打印路径控制xy运动平台，从而使再次经过加热的预浸丝不断堆积到打印平台(42)上，待一层打印结束后z轴升降台控制3d打印喷头(40)上升一个层厚的距离，继续进行下一层的打印，这样周而复始直到得到最终的复合材料试样(41)。
技术总结