一種用於fdm技術的複合纖維絲材及其製備方法
2023-05-03 19:24:36
一種用於fdm技術的複合纖維絲材及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於FDM技術的複合纖維絲材，包括絲芯和包覆在絲芯外層的熱塑性塑料，所述絲芯為玻璃纖維、碳纖維或金屬絲，其直徑為5-20μm，所述絲材直徑為20-50μm所述包覆在絲芯外層的熱塑性塑料含有5-30％wt的直徑為0.1-1μm，長度≤1mm的增強纖維；本發明製備該複合纖維絲材的方法，首先加熱熱塑性塑料至熔融態，然後將增強纖維加入熔融塑料並混合均勻，接著通過送絲機構使得混合熔體均勻的附著在絲芯表面，最後經擠出定型得到直徑為20～50微米的複合絲材。本發明向熱塑性塑料加入增強短纖維和絲芯，不僅能夠增強熔融絲材界面之間的黏附效果，強化列印件各層軸向連接強度，也可以提高每層徑向上獨立的拉伸強度。
【專利說明】一種用於FDM技術的複合纖維絲材及其製備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於增材製造領域，涉及熔融擠出成型技術，特別涉及一種用於FDM技術 的複合纖維絲材及製備該複合纖維材料的方法。
【背景技術】
[0002] 目前增材製造技術，即3D列印技術正對傳統的製造業造成衝擊。熔融擠出成型 (FDM)技術是增材製造技術中的一個重要分支，它主要以熱塑性塑料作為加工材料，這類材 料通常需要被預先加工成絲材。絲材被送絲機構送入噴頭，在噴頭內被加熱融化並擠出，之 後迅速固化並與周圍的材料粘結，噴頭沿零件截面輪廓逐層運動進行填充，從而達到成型 目的。相對傳統工藝，FDM技術能夠列印迅速的成型結構較為複雜的產品，免去了注塑開模 的過程，然而其產品強度相對較低，難以直接使用。
[0003] 因此，為拓展FDM技術應用範圍，有必要開發一種能夠增強制品強度的適用於FDM 技術的複合纖維絲材。
【發明內容】
[0004] 有鑑於此，本發明的目的在於提供一種用於FDM技術的複合纖維絲材及其製備方 法。
[0005] 為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
[0006] 一種用於FDM技術的複合纖維絲材，包括絲芯和包覆在絲芯外層的熱塑性塑料， 所述絲芯為玻璃纖維、碳纖維或金屬絲，其直徑為5-20 μ m，所述絲材直徑為20-50 μ m。
[0007] 作為本發明用於FDM技術的複合纖維絲材的優選，所述包覆在絲芯外層的熱塑性 塑料含有5-30% wt的直徑為0· 1-1 μ m，長度彡1mm的增強纖維。
[0008] 作為本發明用於FDM技術的複合纖維絲材的優選所述增強材料為碳纖維、碳納米 管、凱夫拉縴維或玻璃纖維。
[0009] 作為本發明用於FDM技術的複合纖維絲材的優選所述熱塑性塑料為聚苯乙烯、聚 乙烯、聚丙烯、ABS、聚碳酸酯或聚乳酸等熱塑性塑料。
[0010] 本發明製備用於FDM技術的複合纖維絲材的方法，包括以下步驟：
[0011] Stpl :取70-95份熱塑性塑料、5-30份增強纖維和直徑為5-20 μ m的絲芯；
[0012] Stp2 :加熱熱塑性塑料至熔融狀態；
[0013] Stp3 :將增強纖維加入熔融的熱塑性塑料中並混合均勻；
[0014] Stp4 :通過送絲機構使絲芯勻速通過Stp3所得混合熔體，使混合熔體均勻的附著 在絲芯表面；
[0015] Stp5 :控制最終絲材擠出口的孔徑，得到直徑20?50微米的複合絲材。
[0016] 優選的，所述熱塑性塑料為聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚碳酸酯或聚乳酸等 熱塑性塑料，所述增強材料為碳纖維、碳納米管、凱夫拉縴維或玻璃纖維，所述絲芯為玻璃 纖維、碳纖維或金屬絲。
[0017] 本發明的有益效果在於：
[0018] 本發明的複合纖維絲材向熱塑性塑料加入短纖維，能夠有效地增強FDM過程熔融 絲材界面之間的黏附效果，提高界面連接處的剪切模量，從而強化列印件各層軸向連接強 度；本發明的複合纖維絲材含有高拉伸模量的絲芯，可以提高各層徑向拉伸強度。因此，本 發明的複合絲材結構能夠有效地提高列印件的整體強度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行 說明：
[0020] 圖1為本發明複合纖維絲材縱截面示意圖；
[0021] 圖2為本發明複合纖維絲材縱橫面示意圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0023] 以下實施例將公開一種用於FDM技術的複合纖維絲材，包括絲芯和包覆在絲芯外 層的熱塑性塑料，所述絲芯為玻璃纖維、碳纖維或金屬絲，其直徑為5-20 μ m，所述絲材直徑 為 20-50 μ m。
[0024] 其中：
[0025] 包覆在絲芯外層的熱塑性塑料含有5-30% wt的直徑為0. 1-1 μ m，長度彡1mm的 增強纖維；
[0026] 增強材料為碳纖維、碳納米管、凱夫拉縴維或玻璃纖維；
[0027] 熱塑性塑料為聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚碳酸酯或聚乳酸等熱塑性塑料。
[0028] 實施例1 :
[0029] 本實施例製備用於FDM技術的複合纖維絲材的方法，包括以下步驟：
[0030] Stpl :取90份聚苯乙烯、10份增強短碳纖維絲和直徑為10 μ m的長碳纖維絲芯；
[0031] Stp2 :加熱聚苯乙烯至熔融狀態；
[0032] Stp3 :將短碳纖維絲加入熔融的聚苯乙烯並混合均勻；
[0033] Stp4 :通過送絲機構使長碳纖維絲芯以0. 5m/min的速度勻速通過Stp3所得混合 熔體，使混合熔體均勻的附著在絲芯表面；
[0034] Stp5 :控制絲材擠出口的孔徑，最終得到直徑35?45微米的複合絲材。
[0035] 本實施例中，增強短碳纖維直徑為0· 3-0. 8 μ m，長度彡1mm。
[0036] 採用本實施例製得的複合纖維絲材應用到FDM技術中，所得列印件的強度較純PS 絲材列印件高30 %?70%。
[0037] 實施例2 :
[0038] 本實施例製備用於FDM技術的複合纖維絲材的方法，包括以下步驟：
[0039] Stpl :取80份聚丙烯、20份增強玻璃纖維和直徑為18 μ m的金屬絲芯；
[0040] Stp2 :加熱聚丙烯至熔融狀態；
[0041] Stp3 :將增強玻璃纖維加入熔融的聚丙烯中並混合均勻；
[0042] Stp4 :通過送絲機構使金屬絲芯以0. 8m/min的速度勻速通過Stp3所得混合烙體， 使混合熔體均勻的附著在金屬絲芯表面；
[0043] Stp5 :控制絲材擠出口的孔徑，最終得到直徑20?35微米的複合絲材。
[0044] 本實施例中，增強玻璃纖維直徑為0. 5-0. 9 μ m，長度彡1mm。
[0045] 實施例3 :
[0046] 本實施例製備用於FDM技術的複合纖維絲材的方法，包括以下步驟：
[0047] Stpl :取75份聚碳酸酯、25份增強碳納米管和直徑為6 μ m的玻璃纖維絲芯；
[0048] Stp2 :加熱聚碳酸酯至熔融狀態；
[0049] Stp3 :將增強碳納米管加入熔融的聚碳酸酯並混合均勻；
[0050] Stp4 :通過送絲機構使玻璃纖維絲芯以0. 3m/min的速度勻速通過Stp3所得混合 熔體，使混合熔體均勻的附著在玻璃纖維絲芯表面；
[0051] Stp5 :控制絲材擠出口的孔徑，最終得到直徑30?45微米的複合絲材。
[0052] 本實施例中，增強碳納米管直徑為0. 2-0. 6 μ m，長度彡1mm。
[0053] 本發明的複合纖維絲材向熱塑性塑料加入短纖維，能夠有效地增強FDM過程熔融 絲材界面之間的黏附效果，提高界面連接處的剪切模量，從而強化列印件各層軸向連接強 度；本發明的複合纖維絲材含有高拉伸模量的絲芯，可以提高各層徑向拉伸強度。因此，本 發明的複合絲材結構能夠有效地提高列印件的整體強度，使用本發明的複合纖維絲材列印 時所得列印件的強度較純列印件強度提高30%?70%。
[0054] 需要說明的是，上述實施例僅用於說明本發明的技術方案而非限制，事實上：當熱 塑性塑料為聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚碳酸酯或聚乳酸等熱塑性塑料；增強材料為 碳纖維、碳納米管、凱夫拉縴維或玻璃纖維；絲芯為玻璃纖維、碳纖維或金屬絲；絲芯直徑 為5-20 μ m，絲材直徑為20-50 μ m ;熱塑性塑料中含有5-30 % wt直徑為0· 1-1 μ m，長度 < 1mm的增強纖維時，具能實現本發明的目的。
[0055] 最後說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管通 過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在 形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的範圍。
【權利要求】
1. 一種用於FDM技術的複合纖維絲材，其特徵在於：包括絲芯和包覆在絲芯外層的 熱塑性塑料，所述絲芯為玻璃纖維、碳纖維或金屬絲，其直徑為5-20 μ m，所述絲材直徑為 20-50 μ m〇
2. 根據權利要求1所述用於FDM技術的複合纖維絲材，其特徵在於：所述包覆在絲芯 外層的熱塑性塑料含有5-30% wt的直徑為0. 1-1 μ m，長度< 1mm的增強纖維。
3. 根據權利要求1所述用於FDM技術的複合纖維絲材，其特徵在於：所述增強材料為 碳纖維、碳納米管、凱夫拉縴維或玻璃纖維。
4. 根據權利要求1-3任意一項所述用於FDM技術的複合纖維絲材，其特徵在於：所述 熱塑性塑料為聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚碳酸酯或聚乳酸等熱塑性塑料。
5. 製備如權利要求1-4任意一項所述用於FDM技術的複合纖維絲材的方法，其特徵在 於，包括以下步驟： Stpl :取70-95份熱塑性塑料、5-30份增強纖維和直徑為5-20 μ m的絲芯； Stp2 :加熱熱塑性塑料至熔融狀態； Stp3 :將增強纖維加入熔融的熱塑性塑料中並混合均勻； Stp4 :通過送絲機構使絲芯勻速通過Stp3所得混合熔體，使混合熔體均勻的附著在絲 芯表面； Stp5 :控制最終絲材擠出口的孔徑，得到直徑20?50微米的複合絲材。
6. 根據權利要求5所述製備用於FDM技術的複合纖維絲材的方法，其特徵在於：所述 熱塑性塑料為聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚碳酸酯或聚乳酸等熱塑性塑料，所述增強 材料為碳纖維、碳納米管、凱夫拉縴維或玻璃纖維，所述絲芯為玻璃纖維、碳纖維或金屬絲。
【文檔編號】D01F8/10GK104141179SQ201410373000
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月31日 優先權日:2014年7月31日
【發明者】譚陸西, 黎靜, 張代軍 申請人:中國科學院重慶綠色智能技術研究院