本發(fā)明涉及一種長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的三維打印成形方法，屬于復(fù)合材料成型技術(shù)領(lǐng)域。該發(fā)明主要用于制備長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，可以顯著提高纖維與樹脂的界面結(jié)合效果和復(fù)合材料構(gòu)件的纖維體積分?jǐn)?shù)。
背景技術(shù)：
目前長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的成型工藝主要有滾壓成型、高壓釜成型和水輔助注射成型。滾壓成型工藝中，熱塑性薄板在壓輥上被加熱到基體熔點(diǎn)以上，通過多對壓輥的連續(xù)運(yùn)動將熱塑性材料加工成要求形狀。滾壓成型工藝最大的優(yōu)點(diǎn)在于連續(xù)操作流程和高的成型速度帶來的高產(chǎn)率，但只能成型恒定截面的制品。高壓釜成型工藝通常采用通過手工切割或自動切割得到的半浸漬預(yù)制件，切割后的預(yù)制件通過局部熔融熱塑性基體將預(yù)切割層合板點(diǎn)焊在一起，然后將其送入高壓釜中進(jìn)行熔融成型。高壓釜成型工藝適合制造大型且復(fù)雜的制件，但設(shè)備費(fèi)用投入大，需要進(jìn)行大量的手工輔助操作。水輔助注射成型技術(shù)得到的產(chǎn)品質(zhì)量輕、樹脂成本相對較低、循環(huán)時間短、樹脂部件的設(shè)計和生產(chǎn)有更大的靈活性。在水輔助注射成型工藝中，模腔可以讓熔融聚合物部分充滿或全部充滿，隨后把水注射到熔融聚合物的核心。水輔助注射成型可以使設(shè)計具有更大的自由度、節(jié)省物料、產(chǎn)品質(zhì)量輕和工具成本等優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)樵黾恿烁郊拥某尚蛥?shù)，使成型窗口和成型工藝的控制變的更加困難。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有長纖維熱塑性復(fù)合材料成形方法的不足，本發(fā)明提供了一種長纖維熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的三維打印成形方法。該方法工藝簡單，無需模具。采用該方法制備的復(fù)合材料，具有纖維與樹脂界面結(jié)合效果好、纖維取向性好、纖維體積分?jǐn)?shù)高、整體性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明所述的一種長纖維熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的三維打印成形方法，具體包括以下工藝步驟：
S1：對復(fù)合材料構(gòu)件CAD模型沿Z向進(jìn)行分層，生成構(gòu)件的層片數(shù)據(jù)和截面輪廓數(shù)據(jù)；
S2：依據(jù)當(dāng)前層片數(shù)據(jù)，增強(qiáng)紗線經(jīng)過展纖機(jī)構(gòu)（3）預(yù)加熱并形成具有指定寬度的紗線帶；
同時將相應(yīng)配比的熱塑性樹脂經(jīng)過牽伸機(jī)構(gòu)（2）制成具有指定寬度的樹脂膜；
S3：將樹脂膜加熱熔融，包覆紗線帶，使熔融樹脂充分浸潤紗線帶，形成單層預(yù)浸紗，預(yù)浸紗擠壓后形成具有指定形狀和尺寸的預(yù)浸絲束；
S4：通過CAD驅(qū)動控制預(yù)浸絲束進(jìn)行任意方向的打印，沿打印路徑進(jìn)行同步加熱加壓固化，完成當(dāng)前層復(fù)合材料打印；
S5：基臺下移一定高度，繼續(xù)采用步驟S2、S3和S4進(jìn)行下一層的打印；
S6：完成所有層打印后，將復(fù)合材料構(gòu)件從基臺上取下，經(jīng)過機(jī)加工后完成制備。
根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長纖維熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的三維打印成形方法，所述的增強(qiáng)紗線和展纖機(jī)構(gòu)（3）是一組或多組。
根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長纖維熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的三維打印成形方法，所述的增強(qiáng)紗線是硼纖維紗線、碳纖維紗線、玻璃纖維紗線、碳化硅纖維紗線、凱夫拉纖維紗線或超高分子量聚乙烯纖維紗線。
根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長纖維熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的三維打印成形方法，所述的熱塑性樹脂是聚丙烯樹脂、聚酰胺樹脂、聚酯樹脂、聚苯硫醚樹脂、聚醚醚酮樹脂或聚酰亞胺樹脂中的一種或幾種。
根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長纖維熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的三維打印成形方法，所述的增強(qiáng)紗線的規(guī)格是1K、3K、6K、12K中的一種或幾種。
根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長纖維熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的三維打印成形方法，所述的牽伸機(jī)構(gòu)（2）和展纖機(jī)構(gòu)（3）可通過CAD驅(qū)動分別控制樹脂帶和展開紗線帶的寬度。
根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長纖維熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的三維打印成形方法，所述的定型裝置（6）可通過CAD驅(qū)動控制預(yù)浸絲束的形狀和尺寸。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所設(shè)計的長纖維熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的三維打印成形方法具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：
（1）通過展纖機(jī)構(gòu)將增強(qiáng)紗線進(jìn)行展開，有利于后續(xù)樹脂對于紗線的充分浸潤，有效提高纖維與樹脂的界面結(jié)合性能，從而提高了復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能；
（2）增強(qiáng)紗線可以按依據(jù)CAD模型層片數(shù)據(jù)，進(jìn)行任意角度鋪放，打印自由度較大，可實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的長纖維復(fù)合材料構(gòu)件的打印成形；
（3）通過控制增強(qiáng)紗線與樹脂的配比，可以實(shí)現(xiàn)高纖維體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料構(gòu)件的三維打印成形。
附圖說明
圖1是本發(fā)明一種長纖維熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的三維打印成形方法原理示意圖；
附圖標(biāo)記
i1、i2、in—放線筒，1—擠出裝置，2—牽伸機(jī)構(gòu)，3—展纖機(jī)構(gòu)，4—復(fù)合裝置，5—預(yù)浸紗，6—定型裝置，7—預(yù)浸絲束，8—導(dǎo)向裝置，9—壓實(shí)裝置。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例及附圖說明，對本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述說明。以下實(shí)施例僅用于說明而不是用于限制本發(fā)明的范圍。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀了本發(fā)明闡述的內(nèi)容后可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣用于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
實(shí)施例1：該長纖維熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件包括0°方向紗線、45°方向紗線、90°方向紗線和135°方向紗線。紗線選用3K碳纖維紗線，熱塑性樹脂選用聚苯硫醚。復(fù)合材料構(gòu)件厚度為5mm。
具體實(shí)施步驟：
（1）對復(fù)合材料構(gòu)件CAD模型沿Z向進(jìn)行分層，生成構(gòu)件的層片數(shù)據(jù)和截面輪廓數(shù)據(jù)；
（2）兩束3K碳纖維紗線分別從放紗筒（i1）和放紗筒（i2）出發(fā)，經(jīng)過展纖機(jī)構(gòu)（3）形成具有一定寬度的紗線帶，輸送到復(fù)合裝置（4）；同時依據(jù)當(dāng)前層片數(shù)據(jù)，選取相應(yīng)配比的聚苯硫醚經(jīng)擠出裝置（1）熔融擠出，經(jīng)過牽伸機(jī)構(gòu)（2）形成具有一定寬度的樹脂膜，輸送至復(fù)合裝置（4）；
（3）復(fù)合裝置（4）將樹脂膜加熱熔融，包覆紗線帶，經(jīng)復(fù)合裝置（4）擠壓使熔融樹脂充分浸潤紗線帶，形成單層預(yù)浸紗（5），預(yù)浸紗（5）經(jīng)定型裝置（6）擠壓后形成具有一定寬度和厚度的預(yù)浸絲束（7），輸送至導(dǎo)向裝置（8）；
（4）通過CAD驅(qū)動控制導(dǎo)向裝置（8）牽引預(yù)浸絲束（7）進(jìn)行任意方向的打印，通過CAD驅(qū)動控制壓實(shí)裝置（9）沿預(yù)浸絲束（7）打印路徑進(jìn)行同步加熱加壓固化，完成當(dāng)前層復(fù)合材料打印；
（5）基臺下移一定高度，繼續(xù)采用步驟（2）、（3）和（4）進(jìn)行下一層的打??；
（6）完成所有層打印后，將復(fù)合材料構(gòu)件從基臺上取下，經(jīng)過機(jī)加工后完成制備。