一種碳纖維增強復(fù)合材料的3d打印方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳纖維增強復(fù)合材料的3D打印方法及裝置，其裝置主要包括放卷裝置、送料裝置、打印供料頭、激光發(fā)生器、激光頭一、激光頭二和工作臺，碳纖維增強復(fù)合材料帶卷曲在放卷裝置上，由送料裝置驅(qū)動使碳纖維增強復(fù)合材料帶進入打印供料頭，打印供料頭將碳纖維增強復(fù)合材料帶鋪設(shè)在工作臺上，激光發(fā)生器的激光源一分為二成為激光頭一和激光頭二對碳纖維增強復(fù)合材料帶的側(cè)面和底面進行加熱，工作臺具有打印成型所需的三維運動。本發(fā)明由于采用碳纖維增強復(fù)合材料帶進行打印，原料不需要完全熔化，具有節(jié)省能源、工藝簡單、成本更低和打印速度快的特點，產(chǎn)品適用性強，尤其適合大型制品打印成型，產(chǎn)品能夠應(yīng)用于航天領(lǐng)域與高端汽車等領(lǐng)域。
【專利說明】一種碳纖維增強復(fù)合材料的3D打印方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及新型3D打印機【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種碳纖維增強復(fù)合材料的3D打印方法及裝置。
技術(shù)背景
[0002]3D打印是快速成型技術(shù)的一種形式，其原理是通過逐層打印的方式來創(chuàng)造實物。
[0003]現(xiàn)有的3D打印機多是利用熱熔噴嘴、激光束、光固化等方式將金屬粉末、塑料等材料進行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實體產(chǎn)品。與傳統(tǒng)制造業(yè)車、銑、刨、磨等機械加工方式相比，3D打印技術(shù)具有勞動強度低、速度快及價格便宜等優(yōu)點。但目前的3D打印技術(shù)基本都是加工制造小制品，或者通過先加工小零件在組裝而成整體。對于加工大型尺寸的塑料制品時，制造難度大、效率低且加工成本高。
[0004]目前的3D成型材料主要是聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸二醇酯、聚芳酯以及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯等熱塑性材料或少數(shù)金屬材料。中國專利(專利公布號CN103756293A)公開了一種3D打印材料，該材料包括熱塑性塑料粉末和粘接劑，粘接度和牢固度都較高，但是這些材料硬度、強度仍然較低，打印出來的部件較脆易碎；中國專利(專利公布號CN103862040A)公開了一種用于3D打印的鎂基金屬粉末的材料，該材料以金屬鎂粉為基本材料克服了熱塑性材料打印制品硬度、強度不高的缺點，但是打印出來的制品重量較大，不適合應(yīng)用于航天領(lǐng)域與高端汽車等領(lǐng)域。
[0005]而碳纖維增強復(fù)合材料具有碳材料的固有本征特性，又有紡織纖維的柔軟可加工性，優(yōu)越的綜合性能使其成為新一代軍民兩用的先進復(fù)合材料，現(xiàn)有的碳纖維增強復(fù)合材料制品多采用注射成型的方法，成型制品工藝復(fù)雜、成本較高，并且難以成型大型制品。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種碳纖維增強復(fù)合材料的3D打印方法及裝置，基于微積分原理將制品模型切成若干條帶狀單元，利用打印機噴頭精確定位鋪設(shè)碳纖維增強復(fù)合材料，同時利用激光加熱熔接相鄰帶狀碳纖維增強復(fù)合材料直到成型整個制品，這種方法特別適用于加工大型制品，能提高復(fù)雜制品的生產(chǎn)效率和降低加工成本，且打印出來的實體部件強度和剛度都能大大的提高。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種碳纖維增強復(fù)合材料的3D打印裝置，主要包括放卷裝置、送料裝置、打印供料頭、激光發(fā)生器、激光頭一、激光頭二和工作臺，由碳纖維增強復(fù)合材料制成的帶卷曲在放卷裝置上，由送料裝置驅(qū)動進入打印供料頭，打印供料頭將碳纖維增強復(fù)合材料帶鋪設(shè)在工作臺上，激光發(fā)生器的激光源一分為二成為激光頭一和激光頭二對碳纖維增強復(fù)合材料帶的側(cè)面和底面進行加熱，工作臺具有打印成型所需的三維運動。
[0008]本發(fā)明一種碳纖維增強復(fù)合材料的3D打印裝置，所述的激光發(fā)生器功率可以調(diào)節(jié)，激光發(fā)生器發(fā)出的激光是線性激光，激光一分為二，給激光頭一和激光頭二提供激光源，線性激光的寬度可以根據(jù)打印供料頭寬度調(diào)節(jié)，線性激光的功率根據(jù)打印材料熔融需要的溫度和速度進行調(diào)節(jié)，激光加熱具有加熱快，熔化層薄的優(yōu)勢能夠達(dá)到快速打印的目的，送料裝置的送料速度要跟激光加熱的強度和時間相協(xié)調(diào)，確保每個相鄰的碳纖維增強復(fù)合材料帶都能牢固地粘接在一起。
[0009]本發(fā)明一種碳纖維增強復(fù)合材料的3D打印裝置，所述的碳纖維增強復(fù)合材料帶為帶狀的碳纖維長纖維或者短纖維填充的熱塑性聚合物復(fù)合材料，帶寬3mm-80mm，厚度0.5mm-30mm，碳纖維增強復(fù)合材料帶的基體可為ABS樹脂或其他熱塑性工程樹脂。
[0010]采用本發(fā)明一種碳纖維增強復(fù)合材料的3D打印裝置進行打印的方法，卷曲在放卷裝置上的碳纖維增強復(fù)合材料帶由送料裝置驅(qū)動喂料進入打印機供料頭，工作臺在程序驅(qū)帶動下進行X-Y-Z三維的運動，在將碳纖維增強復(fù)合材料鋪設(shè)在工作臺的同時，激光發(fā)生器的激光頭一和激光頭二對帶狀碳纖維增強復(fù)合材料帶的側(cè)面和底面進行加熱，將碳纖維增強復(fù)合材料帶與相鄰的帶狀碳纖維增強復(fù)合材料粘接在一起，該過程重復(fù)直到完整制品的打印為止。
[0011]本發(fā)明一種碳纖維增強復(fù)合材料的3D打印方法，在打印目標(biāo)產(chǎn)品外部細(xì)節(jié)時，調(diào)換絲狀碳纖維增強復(fù)合材料，細(xì)節(jié)處所用材料為長碳纖維和樹脂的復(fù)合材料或者無纖維填充的工程塑料的細(xì)絲，絲線直徑0.5-3mm,復(fù)合材料為ABS樹脂和短碳纖維的復(fù)合材料，細(xì)絲打印材料滿足細(xì)部打印的靈活性和精度的要求。
[0012]本發(fā)明一種碳纖維增強復(fù)合材料的3D打印方法，在打印目標(biāo)產(chǎn)品外部細(xì)節(jié)時，也可直接調(diào)換點激光對打印用的細(xì)絲進行加熱。
[0013]本發(fā)明一種碳纖維增強復(fù)合材料的3D打印方法及裝置，由于采用碳纖維增強復(fù)合材料帶進行打印，原料不需要完全熔化，只是將碳纖維增強復(fù)合材料帶的底部或側(cè)部進行快速加熱粘接，具有節(jié)省能源、工藝簡單、成本更低和打印速度快的特點，產(chǎn)品適用性強，尤其適合大型制品的打印成型，產(chǎn)品能夠應(yīng)用于航天領(lǐng)域與高端汽車等領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明一種碳纖維增強復(fù)合材料的3D打印裝置原理示意圖。
[0015]圖2是碳纖維增強復(fù)合材料制品示意圖。
[0016]圖3是碳纖維增強復(fù)合材料帶的斷面示意圖，含片狀長碳纖維材料的短碳纖維復(fù)合基體材料。
[0017]圖4是碳纖維增強復(fù)合材料帶的斷面示意圖，ABS/短碳纖維復(fù)合基體材料。
[0018]圖5是碳纖維增強復(fù)合材料帶的斷面示意圖，含片狀長碳纖維材料。
[0019]圖中，1、放卷裝置，2、碳纖維增強復(fù)合材料帶，2-1、帶狀長碳纖維材料，2-2、短碳纖維材料，3、送料裝置，4、打印供料頭，5、激光發(fā)生器，6、激光頭一，7、激光頭二和8、工作臺。

【具體實施方式】
[0020]現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明專利詳細(xì)描述如下:
[0021]本發(fā)明一種碳纖維增強復(fù)合材料的3D打印方法及裝置，如圖1、圖2所示，所述的裝置包括放卷裝置1、送料裝置3、打印供料頭4、激光發(fā)生器5、激光頭一 6、激光頭二 7以及工作臺8，所述的碳纖維增強復(fù)合材料帶2卷曲在放卷裝置1上，由送料裝置3驅(qū)動進入打印供料頭4，打印供料頭4將碳纖維增強復(fù)合材料帶2鋪設(shè)在工作臺8上，激光發(fā)生器5的激光源一分為二成為激光頭一 6和激光頭二 7對帶狀碳纖維增強復(fù)合材料2的側(cè)面和底面進行加熱。
[0022]本發(fā)明一種碳纖維增強復(fù)合材料的3D打印裝置，如圖1所示，所述的激光發(fā)生器5功率可以調(diào)節(jié)，激光發(fā)生器5發(fā)出的激光是線性激光，激光一分為二，給激光頭一 6和激光頭二 7提供激光源，線性激光的寬度可以根據(jù)打印供料頭4寬度調(diào)節(jié)，線性激光的功率根據(jù)打印材料熔融需要的溫度和速度進行調(diào)節(jié)，激光加熱具有加熱快，熔化層薄的優(yōu)勢能夠達(dá)到快速打印的目的，送料裝置的送料速度要跟激光加熱的強度和時間相協(xié)調(diào)，確保每個相鄰的帶狀碳纖維增強復(fù)合材料帶2都能牢固的粘接在一起。
[0023]本發(fā)明一種碳纖維增強復(fù)合材料的3D打印裝置，所述的碳纖維增強復(fù)合材料帶2為帶狀的碳纖維長纖維或者短纖維填充的熱塑性聚合物復(fù)合材料，帶寬3mm-80mm，厚度
0.5mm-30mm，碳纖維增強復(fù)合材料帶2的基體可為ABS樹脂或其他熱塑性工程樹脂。
[0024]本發(fā)明一種碳纖維增強復(fù)合材料的3D打印方法，如圖1、圖2所示，所述的方法是卷曲在放卷裝置1上的碳纖維增強復(fù)合材料帶2由送料裝置3驅(qū)動喂料進入打印機供料頭4 ;打印機供料頭4在程序驅(qū)帶動下進行X-Y 二維平面上的運動，工作臺8具有Z向的運動，或者打印機供料頭4不動，工作臺8在程序驅(qū)帶動下進行X-Y-Z三維上的運動；將碳纖維增強復(fù)合材料帶2鋪設(shè)在工作臺8的同時，激光發(fā)生器5的激光頭一 6和激光頭二 7對碳纖維增強復(fù)合材料帶2的側(cè)面和底面進行加熱，將碳纖維增強復(fù)合材料帶2與相鄰的帶狀碳纖維增強復(fù)合材料粘接在一起，對于部分轉(zhuǎn)角或者打印供料頭無法達(dá)到的部分，轉(zhuǎn)換到絲狀材料的打印供料頭4和點激光源組件，進行細(xì)節(jié)部分的打印工作，直到完整制品打印完成。
[0025]本發(fā)明一種碳纖維增強復(fù)合材料的3D打印方法，在打印目標(biāo)產(chǎn)品外部細(xì)節(jié)時，調(diào)換絲狀碳纖維增強復(fù)合材料，細(xì)節(jié)處所用材料為長碳纖維和樹脂的復(fù)合材料或者無纖維填充的工程塑料的細(xì)絲，絲線直徑0.5-3mm,復(fù)合材料為ABS樹脂和短碳纖維的復(fù)合材料，細(xì)絲打印材料滿足細(xì)部打印的靈活性和精度的要求。
[0026]本發(fā)明一種碳纖維增強復(fù)合材料的3D打印方法，在打印目標(biāo)產(chǎn)品外部細(xì)節(jié)時，也可直接調(diào)換點激光對打印用的細(xì)絲進行加熱。
【權(quán)利要求】
1.一種碳纖維增強復(fù)合材料的30打印裝置，其特征在于:主要包括放卷裝置、送料裝置、打印供料頭、激光發(fā)生器、激光頭一、激光頭二和工作臺，碳纖維增強復(fù)合材料帶卷曲在放卷裝置上，由送料裝置驅(qū)動使碳纖維增強復(fù)合材料帶進入打印供料頭，打印供料頭將碳纖維增強復(fù)合材料帶鋪設(shè)在工作臺上，激光發(fā)生器的激光源一分為二成為激光頭一和激光頭二對碳纖維增強復(fù)合材料帶的側(cè)面和底面進行加熱，工作臺具有打印成型所需的三維運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維增強復(fù)合材料的30打印裝置，其特征在于:所述的激光發(fā)生器功率可以調(diào)節(jié)，激光發(fā)生器發(fā)出的激光是線性激光，線性激光的寬度根據(jù)打印供料頭寬度調(diào)節(jié)，線性激光的功率根據(jù)打印材料熔融需要的溫度和速度進行調(diào)節(jié)，送料裝置的送料速度跟激光加熱的強度和時間相協(xié)調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維增強復(fù)合材料的30打印裝置，其特征在于:碳纖維增強復(fù)合材料帶為帶狀的碳纖維長纖維或者短纖維填充的熱塑性聚合物復(fù)合材料，帶寬3111111-80111111,厚度 0.
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維增強復(fù)合材料的30打印裝置，其特征在于:碳纖維增強復(fù)合材料帶的基體可為八83樹脂或其他熱塑性工程樹脂。
5.采用權(quán)利要求1所述的一種碳纖維增強復(fù)合材料的30打印裝置進行打印的方法，其特征在于:卷曲在放卷裝置上的碳纖維增強復(fù)合材料帶由送料裝置驅(qū)動喂料進入打印機供料頭，工作臺在程序驅(qū)動下進行\(zhòng)-巧三維的運動，在將碳纖維增強復(fù)合材料鋪設(shè)在工作臺的同時，激光發(fā)生器的激光頭一和激光頭二對帶狀碳纖維增強復(fù)合材料帶的側(cè)面和底面進行加熱，將碳纖維增強復(fù)合材料帶與相鄰的帶狀碳纖維增強復(fù)合材料粘接在一起，該過程重復(fù)直到完整制品的打印為止。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種碳纖維增強復(fù)合材料的30打印方法，其特征在于:一部分碳纖維增強復(fù)合材料帶用絲狀碳纖維增強復(fù)合材料代替，制品細(xì)節(jié)處用長碳纖維和樹脂的復(fù)合材料或者無纖維填充的工程塑料的細(xì)絲打印。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種碳纖維增強復(fù)合材料的30打印方法，其特征在于:絲線直徑 0.5-3111111。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種碳纖維增強復(fù)合材料的30打印方法，其特征在于:調(diào)換點激光對打印用的細(xì)絲進行加熱。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種碳纖維增強復(fù)合材料的30打印方法，其特征在于:工作臺在程序驅(qū)動下進行\(zhòng)-巧三維的運動可以更換成打印機供料頭在程序驅(qū)動下進行XI 二維平面上的運動，工作臺具有2向的運動。
【文檔編號】B29C67/00GK104309122SQ201410551215
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月17日
【發(fā)明者】李好義, 楊華光, 何雪濤, 遲百宏, 閻華 , 丁玉梅, 楊衛(wèi)民 申請人:北京化工大學(xué)