一種適用於連續纖維增強複合材料3D列印的噴頭的製作方法
2023-09-16 13:03:20
本發明屬於3D列印領域，更具體的說，涉及一種適用於連續纖維增強複合材料3D列印的噴頭。
背景技術：
3D列印技術是製造業領域內正在快速發展的一項新興技術，被稱為「具有第三次工業革命重要標誌意義的製造技術」，各主要發達國家將其列為戰略發展的關鍵技術。目前，3D列印技術依託多個學科領域尖端技術，在航空航天技術、汽車家電製造生產、生物醫藥、食品加工等領域得到了一定應用。與傳統製造技術相比，3D列印三維快速成型製造技術省略了產品模具的加工製造，從而在時間上極大的縮短了產品的研製周期，提高了生產率和降低生產成本。經濟效益與前景方面有非常大的發展潛力，根據國際快速製造行業權威報告《Wohlers Report 2011》發布的調查結果顯示，全球3D列印產業產值在1988年到2010年之間以26.2％的年均速度增長。報告預測，3D列印產業未來仍將會保持著較快地增長速度，到2020年，包含設備製造和服務在內的產業總產值將達到52億美元。在2012年的國際新技術發展趨勢調查中，3D列印製造技術居首位。目前，現有的增材製造技術還面臨著諸多方面的瓶頸和探索，因此，需要進一步深入研究，擴大其應用領域。
利用3D列印技術列印出的纖維增強複合材料製品，不僅具備高強度、高剛度、質量輕等特點，而且可以控制纖維的分布方向，從而控制製品的性能。纖維增強複合材料的3D列印技術無論是在民用還是軍事上都具有重大的意義。例如，利用碳纖維複合材料製作汽車零部件，提升汽車性能並降低油耗；碳纖維複合材料產品涵蓋航天光學遙感器的各個部位，如相機鏡筒、相機支架、遮光罩、桁架等。依靠列印材料的快速發展和增材製造技術的日益成熟，基於纖維增強複合材料的3D列印技術將會應用到各行各業，推動製造產業的快速發展。
但是目前的連續纖維增強複合材料3D列印技術研究較少，尚處於研發階段，存在諸多問題。比如，樹脂無法充分進入纖維絲帶內部，無法將各個纖維絲通過樹脂粘結在一起，從而在列印工件內部形成空洞，嚴重降低了工件的力學性能。此外，連續纖維增強複合材料3D列印容易堵頭，從而導致纖維無法出絲或樹脂從噴頭內部往外溢出。
技術實現要素：
本發明主要解決的技術問題是提供一種適用於連續纖維增強複合材料3D列印的噴頭，可以提高樹脂與纖維的粘結效果，防止堵頭，而且便於清理噴頭。
為解決上述技術問題，本發明屬於3D列印領域，更具體的說，涉及一種適用於連續纖維增強複合材料3D列印的噴頭，包括列印噴頭、內腔壁、纖維喉管、溫度傳感器、蓋帽、加熱棒、樹脂噴頭、樹脂喉管和鐵氟龍，可以提高樹脂與纖維的粘結效果，防止堵頭，而且便於清理噴頭。
所述列印噴頭可拆卸連接在纖維喉管下端，所述蓋帽可拆卸連接在內腔壁的上端，所述蓋帽上嵌套著加熱棒和溫度傳感器，所述纖維喉管上端可拆卸連接在蓋帽上，纖維喉管下端可拆卸連接在內腔壁下端；樹脂噴頭可拆卸連接在樹脂喉管下端，樹脂喉管可拆卸連接在蓋帽上，樹脂喉管的內部套有環狀的鐵氟龍。
所述纖維喉管上設有多個貫穿的向下傾斜的斜孔，斜孔的軸線與纖維喉管的軸線的夾角小於90度。
所述內腔壁、蓋帽、樹脂噴頭、樹脂喉管均為金屬材質。
作為本技術方案的進一步優化，本發明一種適用於連續纖維增強複合材料3D列印的噴頭所述的纖維喉管包括錐形段、豎直段和通孔，錐形段與豎直段相連，並且錐形段位於纖維喉管的上端，錐形段的尖端處設有通孔。
作為本技術方案的進一步優化，本發明一種適用於連續纖維增強複合材料3D列印的噴頭所述的纖維喉管上的斜孔設在豎直段上並且均位於內腔壁內。
作為本技術方案的進一步優化，本發明一種適用於連續纖維增強複合材料3D列印的噴頭所述的列印噴頭通過螺紋連接方式連接在纖維喉管下端，所述蓋帽通過螺紋連接方式連接在內腔壁的上端，所述纖維喉管上端通過螺紋連接方式連接在蓋帽上，纖維喉管下端通過螺紋連接方式連接在內腔壁下端；樹脂噴頭通過螺紋連接方式連接在樹脂喉管下端，樹脂喉管通過螺紋連接方式連接在蓋帽上。
作為本技術方案的進一步優化，本發明一種適用於連續纖維增強複合材料3D列印的噴頭所述的螺紋均為矩形螺紋或梯形螺紋。
作為本技術方案的進一步優化，本發明一種適用於連續纖維增強複合材料3D列印的噴頭所述的加熱棒有偶數個，對稱分布在蓋帽上。
作為本技術方案的進一步優化，本發明一種適用於連續纖維增強複合材料3D列印的噴頭所述的樹脂噴頭、樹脂喉管和鐵氟龍均有多個。
作為本技術方案的進一步優化，本發明一種適用於連續纖維增強複合材料3D列印的噴頭所述的樹脂噴頭的上端頂著樹脂喉管的下端。
作為本技術方案的進一步優化，本發明一種適用於連續纖維增強複合材料3D列印的噴頭所述的列印噴頭、內腔壁、纖維喉管和蓋帽的軸線均共線。
本發明一種適用於連續纖維增強複合材料3D列印的噴頭的有益效果為：
本發明一種適用於連續纖維增強複合材料3D列印的噴頭，能夠增強熔融樹脂與纖維的粘結效果，從而提高列印質量；此外，噴頭結構通過可拆卸連接，在發生堵絲情況時，能夠拆卸後快速清理。
附圖說明
下面結合附圖和具體實施方法對本發明做進一步詳細的說明。
圖1為本發明一種適用於連續纖維增強複合材料3D列印的噴頭的結構示意圖。
圖2為圖1的局部放大圖。
圖中：列印噴頭1；內腔壁2；纖維喉管3；錐形段3-1；豎直段3-2；通孔3-3；溫度傳感器4；蓋帽5；加熱棒6；纖維束7；樹脂8；樹脂噴頭9；樹脂喉管10；鐵氟龍11。
具體實施方式
具體實施方式一：
下面結合圖1、2說明本實施方式，本發明屬於3D列印領域，更具體的說，涉及一種適用於連續纖維增強複合材料3D列印的噴頭，包括列印噴頭1、內腔壁2、纖維喉管3、溫度傳感器4、蓋帽5、加熱棒6、樹脂噴頭9、樹脂喉管10和鐵氟龍11，可以提高樹脂與纖維的粘結效果，防止堵頭，而且便於清理噴頭。
所述列印噴頭1可拆卸連接在纖維喉管3下端，所述蓋帽5可拆卸連接在內腔壁2的上端，所述蓋帽5上嵌套著加熱棒6和溫度傳感器4，所述纖維喉管3上端可拆卸連接在蓋帽5上，纖維喉管3下端可拆卸連接在內腔壁2下端；樹脂噴頭9可拆卸連接在樹脂喉管10下端，樹脂喉管10可拆卸連接在蓋帽5上，樹脂喉管10的內部套有環狀的鐵氟龍11；上述可拆卸連接方式可以是螺紋連接或者過盈配合或者其他可拆卸連接方式，使用可拆卸連接方式，主要用於在發生堵絲現象時可以快速拆卸，別於清理。此外，將噴頭分成多個零件組合而成，也有利於零件的加工製造，有利於降低成本。蓋帽5上嵌套著的加熱棒6用於產生熱量，從而加熱蓋帽5，蓋帽5將熱量傳遞給樹脂噴頭9和內腔壁2。變熱後的樹脂噴頭9使得樹脂8融化，並在擠絲機構的作用下擠入內腔壁2與蓋帽5形成的樹脂容腔內。變熱後的內腔壁2會保持樹脂容腔內的樹脂保持熔融狀態。
所述纖維喉管3上設有多個貫穿的向下傾斜的斜孔，斜孔的軸線與纖維喉管3的軸線的夾角a小於90度。隨著擠入樹脂容腔內的樹脂不斷增多，在擠壓作用下樹脂容腔內的樹脂會從纖維喉管3上的斜孔擠進纖維喉管3內，並在斜孔的導流作用下向下流動，從而包裹在纖維喉管3內的纖維束7的周圍。該結構設計，增加了樹脂包裹纖維束7的時間和流動的長度，有利於樹脂與纖維束7充分粘結，從而提高樹脂與纖維束7的粘結效果，最終提高列印質量。
此外，熔融樹脂8和纖維束7會在纖維喉管3內充分浸潤，熔融樹脂8會包裹在纖維束7的四周並從列印噴頭1擠出，有效防止纖維束7彎曲而造成堵絲。即使偶爾發生堵絲，也可以通過拆卸列印噴頭1進行快速清理。
所述內腔壁2、蓋帽5、樹脂噴頭9、樹脂喉管10均為金屬材質，可以是不鏽鋼、銅、鐵、鋁等金屬，有利於熱量傳遞。
具體實施方式二：
下面結合圖1、2說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，所述纖維喉管3包括錐形段3-1、豎直段3-2和通孔3-3，錐形段3-1與豎直段3-2相連，並且錐形段3-1位於纖維喉管3的上端，錐形段3-1的尖端處設有通孔3-3。通孔3-3用於穿纖維束7，並設有密封墊圈，用於防止樹脂溢出。此外，錐形段3-1與豎直段3-2共同形成了凹型腔體，從而改變了熔融樹脂8的受力方向，引導熔融樹脂8向下擠出，減小熔融樹脂8從通孔3-3擠出的概率，有效降低了熔融樹脂8溢出。
具體實施方式三：
下面結合圖1、2說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，所述纖維喉管3上的斜孔設在豎直段3-2上並且均位於內腔壁2內。纖維喉管3上的斜孔均位於內腔壁2內，是為了防止樹脂經過斜孔並從內腔壁2與纖維喉管3或纖維喉管3與蓋帽5的連接初溢出。舉例而言，如果斜孔正好位於蓋帽5或內腔壁2與纖維喉管3連接的孔內，熔融樹脂8便會在擠壓作用下從斜孔擠出並從蓋帽5或內腔壁2與纖維喉管3連接的孔內溢出。
具體實施方式四：
下面結合圖1、2說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，所述列印噴頭1通過螺紋連接方式連接在纖維喉管3下端，所述蓋帽5通過螺紋連接方式連接在內腔壁2的上端，所述纖維喉管3上端通過螺紋連接方式連接在蓋帽5上，纖維喉管3下端通過螺紋連接方式連接在內腔壁2下端；樹脂噴頭9通過螺紋連接方式連接在樹脂喉管10下端，樹脂喉管10通過螺紋連接方式連接在蓋帽5上。螺紋連接便於快速拆卸，當發生堵絲現象時，可以快速拆卸清理。此外，螺紋連接還可以有效防止熔融的樹脂溢出。
具體實施方式五：
下面結合圖1、2說明本實施方式，本實施方式對實施方式四作進一步說明，所述螺紋均為矩形螺紋或梯形螺紋。經過實驗研究得知，當螺紋為矩形螺紋或梯形螺紋時，樹脂溢出的可能性更小。
具體實施方式六：
下面結合圖1、2說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，所述加熱棒6有偶數個，對稱分布在蓋帽5上，從而使得樹脂溫度更加均勻，有利於提高樹脂與纖維的粘結性能。
具體實施方式七：
下面結合圖1、2說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，所述樹脂噴頭9、樹脂喉管10和鐵氟龍11均有多個，從而實現多股樹脂同時或者不同時進絲。樹脂的材料可以相同也可以不同。
具體實施方式八：
下面結合圖1、2說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，所述樹脂噴頭9的上端頂著樹脂喉管10的下端，從而防止熔融的樹脂從縫隙中溢出。
具體實施方式九：
下面結合圖1、2說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，所述列印噴頭1、內腔壁2、纖維喉管3和蓋帽5的軸線均共線，用於保證纖維束7始終位於正中心位置，從而提高樹脂與纖維束7的粘結效果，從而提高列印質量。
工作原理：在列印之前，先裝入纖維束7和樹脂8，加熱加熱棒6，熱量會通過蓋帽5以及各個金屬零件傳遞給樹脂噴頭9，樹脂噴頭9融化樹脂8，樹脂8在擠絲機構的作用下會不斷擠進內腔壁2與蓋帽5形成的樹脂容腔內，樹脂容腔內的樹脂吸收內腔壁2和蓋帽5的熱量保持熔融狀態，並從從纖維喉管3上的斜孔擠進纖維喉管3內，並在斜孔的導流作用下向下流動，從而包裹在纖維喉管3內的纖維束7的周圍，並帶動纖維束7擠出，從而形成纖維增強複合材料一起粘結到工作檯表面，在噴頭移動的過程中，纖維束7就會不斷被拉出，並且纖維束7的四周會包裹有熔融的樹脂8，從而實現連續纖維增強複合材料3D列印，必要時可以剪斷纖維束7。該列印頭可以適用於目前現有的3D印表機結構，並且控制程序也可適用於現有的程序，僅需將纖維增強的複合材料看成是普通的樹脂材料便可。
當然，上述說明並非對本發明的限制，本發明也不僅限於上述舉例，本技術領域的普通技術人員在本發明的實質範圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也屬於本發明的保護範圍。