技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及熱塑性復(fù)合材料管道制造技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種利用3d打印成型技術(shù)制備一種大口徑熱塑性復(fù)合材料纖維增強(qiáng)長(zhǎng)輸管及其制造方法和裝置。

背景技術(shù)：
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對(duì)于石油天然氣行業(yè)而言，管道運(yùn)輸是目前最安全、最經(jīng)濟(jì)和對(duì)環(huán)境破壞最小的運(yùn)輸方式。油氣田中物料輸送大都采用遠(yuǎn)距離壓力管道輸送。這類管道通常需要承受較大的壓力或者復(fù)雜載荷與苛刻的作業(yè)環(huán)境。而隨著油氣消費(fèi)的不斷增大，為提高輸送效率，大口徑(600mm以上)、高壓(5mpa以上)輸送技術(shù)成為長(zhǎng)輸管道的趨勢(shì)和方向。這就對(duì)管道材質(zhì)與性能等方面的要求越來越高。

行業(yè)內(nèi)最先使用的管道材料以鋼質(zhì)和玻璃鋼材質(zhì)為主，但鋼材管線耐腐蝕性能差，內(nèi)部容易結(jié)垢影響流體流動(dòng)性且安裝運(yùn)營成本高；高強(qiáng)度鋼材會(huì)使管道延性降低，管道止裂性能變差，不利于管道安全運(yùn)營。而玻璃鋼管線存在接頭多、性能低等問題。大口徑玻璃鋼管壓力高時(shí)密封困難，且在負(fù)壓下容易發(fā)生坍塌。其他材質(zhì)的如pe、pvc等純塑料管強(qiáng)度低，根本不能滿足長(zhǎng)輸管道的使用要求。

隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，非金屬復(fù)合材料管在油氣集輸?shù)阮I(lǐng)域逐步得到廣泛應(yīng)用，主要包括柔性復(fù)合管和塑料合金復(fù)合管等。但大部分是小口徑管道(≤150mm)，大口徑管道相對(duì)較少。如熱塑性塑料內(nèi)襯復(fù)合管在實(shí)際使用過程中通常是以增加塑料內(nèi)襯層的厚度提高其環(huán)剛度防止其發(fā)生坍塌，但這會(huì)造成原材料用量的大幅度增加，使復(fù)合管重量和制造成本大幅增加；另一方面會(huì)減小管內(nèi)流體的流通內(nèi)徑，大大降低了流體輸送效率。

3d打印技術(shù)是近年來迅猛發(fā)展的一種快速成型技術(shù)，應(yīng)用范圍不斷拓展至航空航天、汽車、船舶、生物、食品、建筑等多個(gè)領(lǐng)域。大型3d打印設(shè)備的問世使得大尺寸制品的打印成為可能，并使制造打印成本大幅度降低，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中越來越具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但就目前而言，3d打印技術(shù)在連續(xù)性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造領(lǐng)域的相關(guān)研究在國內(nèi)外還比較少見。本發(fā)明采用3d打印技術(shù)制備一種連續(xù)纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合管道，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備與成形一體化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是，提供一種能夠解決長(zhǎng)輸管道現(xiàn)存技術(shù)問題，滿足油氣管道輸送耐腐蝕和耐高壓、大口徑以提高流體輸送效率等多項(xiàng)需求的基于3d打印技術(shù)的大口徑熱塑性復(fù)合材料長(zhǎng)輸管及其制造方法和裝置。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下的技術(shù)方案：

一種熱塑性復(fù)合材料長(zhǎng)輸管，其結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外依次是內(nèi)襯層、纖維增強(qiáng)層和外保護(hù)層，所述的熱塑性復(fù)合材料長(zhǎng)輸管的長(zhǎng)度8～10m，管徑為1000～1500mm，所述內(nèi)襯層厚度為10～50mm；增強(qiáng)層厚度為50～200mm，外保護(hù)層厚度為10～50mm。

本發(fā)明所述的內(nèi)襯層和外保護(hù)層均采用熱塑性聚合物材料擠出成型工藝，所述的纖維增強(qiáng)層由高強(qiáng)度纖維和熱塑性聚合物3d復(fù)合打印而成，所述的高強(qiáng)度纖維為玻璃纖維、玄武巖纖維、碳纖維、芳綸纖維、聚酯纖維、超高分子量聚乙烯纖維中的單一纖維或其中幾種復(fù)合的纖維束，所述的熱塑性聚合物為pp、pe或hdpe、pvdf、pps、pa、peek中的一種或幾種，其中擠出料和3d打印料聚合物材料形態(tài)分別為粒料和絲狀。

本發(fā)明還提出了一種熱塑性復(fù)合材料長(zhǎng)輸管的制造方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1：制備內(nèi)襯層，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，選取熱塑性聚合物材料通過擠出機(jī)制備內(nèi)襯層，所述的熱塑性聚合物為pp、pe或hdpe、pvdf、pps、pa、peek中的一種或幾種；根據(jù)所選材料不同，擠出溫度i區(qū)間為220℃-365℃；通常情況下，常規(guī)油氣輸送應(yīng)用通常選用hdpe材料為內(nèi)襯層，在高溫區(qū)塊或者酸性介質(zhì)領(lǐng)域則選用高性能聚合物如pps、pvdf、peek作為內(nèi)襯層；

步驟2：將內(nèi)襯層管件固定在一根芯軸上，然后在內(nèi)襯層管件的外層，利用3d打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)熱塑性樹脂和增強(qiáng)纖維材料復(fù)合成型一體化，制備管道的纖維增強(qiáng)層；

步驟3：在纖維增強(qiáng)層表面擠出包覆外保護(hù)層，最終得到熱塑性復(fù)合材料長(zhǎng)輸管的成品。

本發(fā)明進(jìn)一步還提出了一種熱塑性復(fù)合材料長(zhǎng)輸管制造裝置，其特征在于設(shè)有纏繞機(jī)大盤，纏繞機(jī)大盤中間開設(shè)管件通孔，用于套設(shè)待處理管件的芯軸穿過通孔，纏繞機(jī)大盤由電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)繞芯軸旋轉(zhuǎn)；芯軸沿軸向前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其中芯軸固定在芯軸支架上，芯軸支架經(jīng)滑塊與導(dǎo)軌相連接，還設(shè)有與芯軸支架相連接的推進(jìn)/牽引機(jī)構(gòu)，芯軸支架在推進(jìn)/牽引機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下沿導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌的延伸方向與管件軸向方向平行；纏繞機(jī)大盤側(cè)面設(shè)有增強(qiáng)纖維卷筒和聚合物絲料料盤、分別用于驅(qū)動(dòng)卷筒和料盤轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、張緊裝置、送絲電機(jī)、導(dǎo)向管、3d打印機(jī)頭、滾珠絲桿滑臺(tái)組；其中3d打印機(jī)頭安置在滾珠絲桿滑臺(tái)組上，滾珠絲桿滑臺(tái)組配有步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠滑臺(tái)組帶動(dòng)打印機(jī)頭沿著大盤徑向做運(yùn)動(dòng)；張緊裝置位于卷筒和料盤與送絲電機(jī)之間，由多個(gè)張緊輥構(gòu)成，為纖維提供合適的張力；聚合物絲和增強(qiáng)纖維通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)卷筒和料盤放絲，經(jīng)過張緊輥保持適當(dāng)?shù)膹埩Γ缓笸ㄟ^送絲電機(jī)分別經(jīng)過兩個(gè)導(dǎo)向管將二者導(dǎo)入3d打印機(jī)頭內(nèi)，其中將增強(qiáng)纖維導(dǎo)入3d打印機(jī)頭內(nèi)部中空螺桿通道，將聚合物絲導(dǎo)入機(jī)頭腔體并纏繞于螺桿之上。

本發(fā)明的張緊裝置包括輥輪支架和三組張力調(diào)節(jié)輥，其中第一組和第二組張力調(diào)節(jié)輥分別經(jīng)輥輪支架設(shè)置在第三組張力調(diào)節(jié)輥的上方，三組張力調(diào)節(jié)輥形成v型送料通道，支架上設(shè)有輥輪位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，第一組和第二組張力調(diào)節(jié)輥與第三組張力調(diào)節(jié)輥之間的距離和相對(duì)位置關(guān)系可調(diào)，卷筒或料盤送出的物料分別經(jīng)第一組張力調(diào)節(jié)輥、第三組張力調(diào)節(jié)輥、第二組張力調(diào)節(jié)輥送出，通過調(diào)整張力調(diào)節(jié)輥的角度和相對(duì)位置可以調(diào)節(jié)張緊拉力調(diào)節(jié)。

本發(fā)明通過基于動(dòng)態(tài)扭矩傳感器組建的自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)張緊輥位置和送絲電機(jī)與放卷電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而精準(zhǔn)控制3d打印機(jī)頭內(nèi)的送絲量，提高管道成型的精度。其基本原理是由傳感器測(cè)定張力調(diào)節(jié)輥的扭矩值，然后把扭矩?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成張力信號(hào)反饋回張力控制器，通過此信號(hào)與控制器預(yù)先設(shè)定的張力值對(duì)比，計(jì)算出控制信號(hào)，控制放卷電機(jī)(料盤和卷筒的驅(qū)動(dòng)電機(jī))運(yùn)行轉(zhuǎn)矩和張力調(diào)節(jié)輥的位置實(shí)現(xiàn)張力調(diào)節(jié)。最終使得實(shí)際張力與給出張力相互一致，從而實(shí)現(xiàn)張力恒定的目的。

本發(fā)明所述的3d打印頭由打印頭殼體、噴嘴、中空螺桿、傳動(dòng)裝置、步進(jìn)電機(jī)、加熱和控溫裝置組成，打印頭殼體為中空的結(jié)構(gòu)，打印頭殼體前端設(shè)有出料噴嘴，打印頭殼體內(nèi)螺桿通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，螺桿設(shè)有中空孔道，螺桿與噴嘴之間設(shè)有加熱裝置和溫控裝置，聚合物絲通過張緊裝置、送絲電機(jī)并經(jīng)導(dǎo)向管送入3d打印頭殼體內(nèi)，并纏繞于螺桿之上，被加熱熔融并隨著螺桿旋轉(zhuǎn)不斷向前推進(jìn)，增強(qiáng)纖維通過張緊裝置、送絲電機(jī)經(jīng)另外一個(gè)導(dǎo)向管穿過中空孔道送入同一3d打印頭殼體內(nèi)，并在噴嘴處被熔融樹脂浸漬包覆，然后在螺桿和絲材推力作用下從噴嘴處擠出形成復(fù)合纖維絲。

本裝置在制備增強(qiáng)層時(shí)3d打印機(jī)頭的基本工作原理如下：熱塑性聚合物絲和增強(qiáng)纖維盤繞在卷筒或料盤上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)卷筒和料盤放絲。經(jīng)過張緊輥保持適當(dāng)?shù)膹埩?，然后通過送絲電機(jī)分別經(jīng)過兩個(gè)導(dǎo)向管將二者導(dǎo)入3d打印機(jī)頭內(nèi)，其中將增強(qiáng)纖維導(dǎo)入3d打印機(jī)頭內(nèi)部中空螺桿通道，將聚合物絲導(dǎo)入機(jī)頭腔體并纏繞于螺桿之上。主要通過基于動(dòng)態(tài)扭矩傳感器組建的自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)張緊裝置和送絲電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而精準(zhǔn)控制3d打印機(jī)頭內(nèi)的送絲量，提高管道成型的精度。聚合物絲在打印機(jī)頭內(nèi)部受熱熔融，熔融樹脂在螺桿和絲材推力作用下到達(dá)噴嘴。增強(qiáng)纖維在噴嘴處被熔融樹脂浸漬包覆，然后從噴嘴處擠出，形成復(fù)合纖維絲。3d打印機(jī)頭整體裝置及卷筒固定于一個(gè)可以繞管道軸向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤裝置上，打印機(jī)頭可以在轉(zhuǎn)盤上沿管道徑向做一定幅度的運(yùn)動(dòng)。芯軸可以沿管道軸向前后往復(fù)移動(dòng)。通過調(diào)節(jié)大盤旋轉(zhuǎn)、打印機(jī)頭和芯軸移動(dòng)速率等參數(shù)控制復(fù)合纖維絲在內(nèi)襯層上的打印過程。在整個(gè)管道增強(qiáng)層生產(chǎn)線上有兩臺(tái)甚至多臺(tái)相同的轉(zhuǎn)盤打印設(shè)備。然后逐層打印，最后得到增強(qiáng)管件。

本發(fā)明制備管道增強(qiáng)層過程中采用3d打印工藝，以熱塑性樹脂與連續(xù)纖維為原材料，在打印頭內(nèi)部進(jìn)行熔融浸漬，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料制備與成形一體化。本發(fā)明制備的熱塑性復(fù)合材料長(zhǎng)輸管在各項(xiàng)性能上與傳統(tǒng)工藝制備的管道沒有太大差距，且本發(fā)明的熱塑性復(fù)合材料長(zhǎng)輸管相比傳統(tǒng)管道具有以下優(yōu)點(diǎn)：不需要使用金屬材料，具有輕量化、耐高溫、耐腐蝕、柔韌性好、氣密性好、內(nèi)外壓力等級(jí)高、安裝方便等顯著特點(diǎn)，其內(nèi)壁光滑、大口徑、高內(nèi)外壓力等級(jí)可以獲得更高的流體速率與流量，特別適合于長(zhǎng)輸油氣管道方面的應(yīng)用。

附圖說明：

附圖1為本發(fā)明中熱塑性長(zhǎng)輸管(1a)及其截面(1b)的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖2為本發(fā)明中基于3d打印技術(shù)制備熱塑性復(fù)合材料長(zhǎng)輸管纖維增強(qiáng)層的工作原理圖。

附圖3為纏繞機(jī)纏繞大盤正面視圖。

附圖4為本發(fā)明中3d打印機(jī)頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖5為本發(fā)明中張緊機(jī)構(gòu)的工作原理圖。

附圖標(biāo)記如下：內(nèi)襯層1、纖維增強(qiáng)層2、外保護(hù)層3、纏繞大盤4、3d打印機(jī)頭5、滾珠絲桿滑臺(tái)組6、管件通徑7、芯軸8、傳動(dòng)裝置9、驅(qū)動(dòng)電機(jī)10、基座與支架11、聚合物絲12、增強(qiáng)纖維13、料盤或卷筒14、張緊裝置15、送絲電機(jī)16、導(dǎo)向管17、螺桿18、噴嘴19、傳感器與調(diào)節(jié)裝置20、放卷電機(jī)21、張力控制器22。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明中的進(jìn)一步詳細(xì)描述。但本發(fā)明不限于下列實(shí)施例。

如附圖所示，本發(fā)明提供了一種熱塑性復(fù)合材料長(zhǎng)輸管，其特征在于，其結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外依次是內(nèi)襯層1、纖維增強(qiáng)層2和外保護(hù)層3。

本發(fā)明采用3d打印技術(shù)，主要包括以下步驟：首先通過擠出機(jī)擠出制備內(nèi)襯層1；將內(nèi)襯層1管件固定在一根芯軸8上，穿過纏繞機(jī)纏繞大盤通徑7，然后在內(nèi)襯層1管件的基礎(chǔ)上，利用特制的3d打印機(jī)頭5，實(shí)現(xiàn)熱塑性樹脂和增強(qiáng)纖維材料復(fù)合成型一體化，制備管道的纖維增強(qiáng)層2。最后在管件表面擠出包覆外保護(hù)層3，最終得到熱塑性復(fù)合材料長(zhǎng)輸管的成品。

其中，打印纖維增強(qiáng)層2的具體方法是：根據(jù)管道纖維增強(qiáng)層2的實(shí)際尺寸和其他材料的一些具體參數(shù)，完成管道纖維增強(qiáng)層2的3d建模，利用相關(guān)軟件對(duì)三維模型進(jìn)行分層處理，并得到離散化的二維層片信息；再結(jié)合管道的性能需求和3d打印技術(shù)原理，最終得到3d打印的路徑程序和其他相關(guān)數(shù)據(jù)信息；根據(jù)以上信息開始進(jìn)行3d打印。主要通過纏繞大盤4繞軸旋轉(zhuǎn)、打印機(jī)頭5沿管道徑向運(yùn)動(dòng)和芯軸8沿軸向前后運(yùn)動(dòng)來調(diào)節(jié)打印角度和軌跡。聚合物絲12經(jīng)張緊裝置15、送絲電機(jī)16穿過導(dǎo)向管17進(jìn)入打印機(jī)頭5內(nèi)部并受熱熔融，熔融樹脂在螺桿18和絲材推力作用下到達(dá)噴嘴19。增強(qiáng)纖維13經(jīng)張緊裝置15、送絲電機(jī)16穿過另外一個(gè)導(dǎo)向管17，經(jīng)過打印機(jī)頭螺桿18中空孔道送入同一3d打印機(jī)頭5內(nèi)，并在噴嘴19處被熔融樹脂浸漬包覆，然后從噴嘴19處擠出，形成復(fù)合纖維絲。然后開始打印過程。其中，3d打印機(jī)頭的溫度參數(shù)是制備過程中的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)于管道的性能起到?jīng)Q定性的作用。打印速度對(duì)管道的力學(xué)性能影響不大，但如果打印速度過大，則可能會(huì)影響管道的成型精度，所以打印速度保持在110～250mm/min之間時(shí)可以得到較好的打印效果。

基于動(dòng)態(tài)扭矩傳感器組建的自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)張緊輥位置和送絲電機(jī)16與放卷電機(jī)21轉(zhuǎn)速，從而精準(zhǔn)控制3d打印機(jī)頭內(nèi)的送絲量，提高管道成型的精度。其基本原理是由傳感器20測(cè)定張力調(diào)節(jié)輥的扭矩值，然后把扭矩?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成張力信號(hào)反饋回張力控制器22，通過此信號(hào)與控制器預(yù)先設(shè)定的張力值對(duì)比，計(jì)算出控制信號(hào)，控制放卷電機(jī)21(料盤和卷筒的驅(qū)動(dòng)電機(jī))運(yùn)行轉(zhuǎn)矩和張力輥位置調(diào)節(jié)裝置20實(shí)現(xiàn)張力調(diào)節(jié)。最終使得實(shí)際張力與給出張力相互一致，從而實(shí)現(xiàn)張力恒定的目的。

實(shí)施例1

管道內(nèi)襯層采用聚苯硫醚pps；增強(qiáng)層中纖維為玻璃纖維，樹脂為聚丙烯pp；外保護(hù)層為高密度聚乙烯hdpe。三個(gè)結(jié)構(gòu)層由內(nèi)至外厚度依次為40mm、100mm、30mm，管道內(nèi)徑1200mm。

基本參數(shù)設(shè)置：擠出溫度ⅰ為300～320℃；打印機(jī)頭溫度為180～200℃；擠出溫度ⅱ為200～220℃。

實(shí)施例2

管道內(nèi)襯層采用聚偏氟乙烯pvdf改性樹脂；增強(qiáng)層中纖維為芳綸纖維，樹脂為聚丙烯pp；外保護(hù)層為高密度聚乙烯hdpe。三個(gè)結(jié)構(gòu)層由內(nèi)至外厚度依次為35mm、90mm、20mm，管道內(nèi)徑1400mm。

基本參數(shù)設(shè)置：擠出溫度ⅰ為220～240℃，打印機(jī)頭溫度為180～200℃；擠出溫度ⅱ為200～220℃。

實(shí)施例3

管道內(nèi)襯層采用聚醚醚酮peek；增強(qiáng)層中纖維為碳纖維，樹脂為聚丙烯pp；外保護(hù)層為高密度聚乙烯hdpe。三個(gè)結(jié)構(gòu)層由內(nèi)至外厚度依次為30mm、100mm、20mm，管道內(nèi)徑1200mm。

基本參數(shù)設(shè)置：擠出溫度ⅰ為350～365℃；打印機(jī)頭溫度為180～200℃，擠出溫度ⅱ為200～220℃

根據(jù)實(shí)施例1～3中所列管道結(jié)構(gòu)參數(shù)及3d打印工藝的各主要技術(shù)參數(shù)制造熱塑性性復(fù)合材料長(zhǎng)輸管。

與傳統(tǒng)的擠出成型制造工藝相比，本發(fā)明具有操作簡(jiǎn)單、成型精確度更高等顯著優(yōu)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了熱塑性樹脂材料與增強(qiáng)纖維的成型一體化。采用3d打印技術(shù)制造的熱塑性復(fù)合材料長(zhǎng)輸管與采用傳統(tǒng)擠出工藝制備的相同規(guī)格的管道在力學(xué)性能上沒有太大差別，完全可以滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

3d打印工藝與傳統(tǒng)擠出工藝制備管道性能對(duì)比

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其它的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)視為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。