連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的快速成型系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的快速成型系統(tǒng)及方法，包括裝有連續(xù)長(zhǎng)纖維的材料盒、用于牽引長(zhǎng)纖維的引導(dǎo)裝置、用于制備樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料的樹(shù)脂池、用于將樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料制作成結(jié)構(gòu)件的3D打印系統(tǒng)、光源及控制各組成部分的控制系統(tǒng)，所述材料盒、引導(dǎo)裝置與樹(shù)脂池對(duì)應(yīng)設(shè)有若干組，所述長(zhǎng)纖維纏繞成卷密封在材料盒中；通過(guò)連續(xù)對(duì)長(zhǎng)纖維進(jìn)行樹(shù)脂材料浸潤(rùn)，獲得長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，再通過(guò)3D打印系統(tǒng)固化成型，得到長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，本發(fā)明系統(tǒng)布置緊湊，不僅可簡(jiǎn)單快速的實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)纖維與樹(shù)脂材料的更新替換，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)3D打印系統(tǒng)3的多種材料同步合成；整體裝置簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，特別適用于工業(yè)生產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的快速成型系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于快速成型領(lǐng)域，涉及一種連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的快速成型系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]立體光固化技術(shù)(SLA)是最早實(shí)用化的快速成形技術(shù)，其采用液態(tài)光敏樹(shù)脂為原料，工藝原理是用特定波長(zhǎng)與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點(diǎn)到線，由線到面順序凝固，完成一個(gè)層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺(tái)在垂直方向移動(dòng)一個(gè)層片的高度，再固化另一個(gè)層面。這樣層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。其工藝過(guò)程先后經(jīng)歷了 “CAD三維實(shí)體模型一模型切片一路徑規(guī)劃一激光掃描一疊加成型一顯影一最終固化一樣品”等路線。立體光固化技術(shù)主要用于制造多種模具、模型等；還可以在原料中通過(guò)加入其它成分，用立體光固化原型模代替熔模精密鑄造中的蠟?zāi)！ＡⅢw光固化技術(shù)成形速度較快，精度較高，但由于樹(shù)脂固化過(guò)程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變。開(kāi)發(fā)收縮小、固化快、強(qiáng)度高的光敏材料是其發(fā)展趨勢(shì)。
[0003]盡管SLA已經(jīng)有了三十年的技術(shù)發(fā)展，因制品塑料感濃厚，力學(xué)性能較差，目前產(chǎn)品還停留在打印一個(gè)玩具、模型的階段，無(wú)法在高性能市場(chǎng)如航空航天、汽車賽車、機(jī)器人和醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用。向光固化樹(shù)脂中摻雜高強(qiáng)度、高性能的纖維，制成復(fù)合材料，以預(yù)期提高光固化產(chǎn)品的各項(xiàng)性能，是發(fā)展SLA增材制造技術(shù)的重要方向之一。目前的纖維3D打印系統(tǒng)通常是把短纖維分散到樹(shù)脂體系中制成復(fù)合材料，然后通過(guò)逐層固化成型的方法制備結(jié)構(gòu)件，這樣的方法生產(chǎn)效率低，做成的結(jié)構(gòu)件受到樹(shù)脂的限制尺寸有限。因此，發(fā)展連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印技術(shù)是必然趨勢(shì)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種力學(xué)性能強(qiáng)、成型過(guò)程簡(jiǎn)單的連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的快速成型系統(tǒng)及方法。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:包括裝有連續(xù)長(zhǎng)纖維的材料盒、用于牽引長(zhǎng)纖維的引導(dǎo)裝置、用于制備樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料的樹(shù)脂池、用于將樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料制作成結(jié)構(gòu)件的3D打印系統(tǒng)、光源及控制各組成部分的控制系統(tǒng)；所述控制系統(tǒng)包括對(duì)應(yīng)設(shè)置在材料盒與樹(shù)脂池內(nèi)的檢測(cè)模塊及接收、處理并輸出各組成部分控制信息的控制終端；所述材料盒、引導(dǎo)裝置與樹(shù)脂池對(duì)應(yīng)設(shè)有若干組，所述長(zhǎng)纖維纏繞成卷密封在材料盒中。
[0006]進(jìn)一步，所述引導(dǎo)裝置還包括多干個(gè)用于對(duì)長(zhǎng)纖維換向的導(dǎo)向輥。
[0007]進(jìn)一步，所述樹(shù)脂池為避光的密閉容器，其中設(shè)有光固化樹(shù)脂材料；所述光固化樹(shù)脂材料由單體、預(yù)聚體、交聯(lián)劑、光引發(fā)劑及溶劑組成；主物質(zhì)和特殊物質(zhì)分類包括:環(huán)氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、純丙烯酸酯、有機(jī)硅低聚物、光固化聚丁二烯低聚物及有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化樹(shù)脂。
[0008]進(jìn)一步，所述材料盒中的長(zhǎng)纖維為連續(xù)長(zhǎng)纖維絲或連續(xù)長(zhǎng)纖維帶或連續(xù)長(zhǎng)纖維片。
[0009]進(jìn)一步，所述材料盒中的長(zhǎng)纖維為植物纖維、粘膠纖維、動(dòng)物纖維、礦物纖維、合成纖維及無(wú)機(jī)纖維中的一種或幾種。
[0010]進(jìn)一步，所述植物纖維包括棉、麻和竹中一種或幾種；所述動(dòng)物纖維包括羊毛和蠶絲中一種或幾種；所述礦物纖維包括二氧化硅、氧化鋁和氧化鎂中一種或幾種；所述合成纖維包括酯(滌綸)、聚酰胺(錦綸或尼龍)、聚乙烯醇(維綸)、聚丙烯腈(腈綸)、聚丙烯(丙綸)和聚氯乙烯(氯綸)中一種或幾種；所述無(wú)機(jī)纖維玻璃，金屬和碳纖維中一種或幾種。
[0011]本發(fā)明還公開(kāi)了一種利用上述連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料快速成型系統(tǒng)的快速成型方法，主要包括以下步驟:
[0012](I)建立三維構(gòu)造體幾何模型，對(duì)幾何模型進(jìn)行切片分層，并將數(shù)據(jù)信息傳送至3D打印系統(tǒng)中；
[0013](2)設(shè)置引導(dǎo)裝置行走路徑；
[0014](3)控制終端輸出控制信號(hào)，引導(dǎo)裝置將長(zhǎng)纖維從材料盒中牽拉出來(lái)，經(jīng)過(guò)樹(shù)脂池時(shí)對(duì)長(zhǎng)纖維進(jìn)行光固化樹(shù)脂或熱固化樹(shù)脂浸潤(rùn)，制備成樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料后引導(dǎo)裝置將復(fù)合材料送入3D打印系統(tǒng)中的打印頭內(nèi)；
[0015](4)樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料在打印頭的牽引下按模型切片進(jìn)行截面鋪設(shè)，鋪設(shè)完成后對(duì)截面進(jìn)行光固化，形成一個(gè)薄層截面；逐層疊加并固化，后清理處理，獲得最終結(jié)構(gòu)件。
[0016]進(jìn)一步，還包括步驟(5)，將獲得的結(jié)構(gòu)件再進(jìn)行熱固化。
[0017]進(jìn)一步，所述步驟(4)中截面光固化與切面截面鋪設(shè)同步進(jìn)行。
[0018]進(jìn)一步，光固化的光源為激光或波長(zhǎng)為400_190nm的紫外光。
[0019]本發(fā)明的有益效果在于:
[0020](I)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的無(wú)模制造，大幅縮減了生產(chǎn)工期及成本；
[0021](2)材料盒、引導(dǎo)裝置與樹(shù)脂池可對(duì)應(yīng)設(shè)有若干組，不僅可簡(jiǎn)單快速的實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)纖維與樹(shù)脂材料的更新替換，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)3D打印系統(tǒng)的多種材料同步合成；
[0022](3)輸送過(guò)程連續(xù)緊湊，設(shè)備密閉性好，獲得的復(fù)合材料力學(xué)性能好；
[0023](4)各組成部分均設(shè)有檢測(cè)控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了原料狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化程度高，減小了人員配備數(shù)量，特別適用于工業(yè)生產(chǎn)。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說(shuō)明:
[0025]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)變形示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0028]如圖所示，本發(fā)明所述的連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的快速成型系統(tǒng)，包括裝有連續(xù)長(zhǎng)纖維的材料盒1、用于牽引長(zhǎng)纖維的引導(dǎo)裝置、用于制備樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料的樹(shù)脂池2、用于將樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料制作成結(jié)構(gòu)件7的3D打印系統(tǒng)3、光源8及控制各組成部分的控制系統(tǒng)4 ;所述控制系統(tǒng)包括對(duì)應(yīng)設(shè)置在材料盒I與樹(shù)脂池2內(nèi)的檢測(cè)模塊及接收、處理并輸出各組成部分控制信息的控制終端4 ;所述材料盒1、引導(dǎo)裝置與樹(shù)脂池2對(duì)應(yīng)設(shè)有若干組，所述長(zhǎng)纖維纏繞成卷密封在材料盒I中；對(duì)不同的長(zhǎng)纖維及樹(shù)脂材料分類存儲(chǔ)及合成，不僅可簡(jiǎn)單快速的實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)纖維與樹(shù)脂材料的更新替換，3D打印系統(tǒng)3的多種材料同步合成，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的無(wú)模制造，尤其適合制備超輕高強(qiáng)結(jié)構(gòu)件。
[0029]在本實(shí)施例中，并行設(shè)置了兩組材料盒1、引導(dǎo)裝置與樹(shù)脂池2，兩個(gè)材料盒I中裝有不同材料的長(zhǎng)纖維，兩個(gè)樹(shù)脂池內(nèi)裝有不同成分的樹(shù)脂材料，兩種長(zhǎng)纖維分別通過(guò)對(duì)應(yīng)設(shè)置的引導(dǎo)裝置牽引至各自對(duì)應(yīng)的樹(shù)脂池2內(nèi)，再由引導(dǎo)裝置送入3D打印系統(tǒng)3中固化成型，當(dāng)然，也可根據(jù)實(shí)際使用需求對(duì)材料盒1、引導(dǎo)裝置與樹(shù)脂池2的數(shù)量進(jìn)行調(diào)整。
[0030]本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還有第二種變形形式，如圖2所示，樹(shù)脂池2被集成到了打印頭6上，該結(jié)構(gòu)可減少纖維在浸潤(rùn)后的傳輸距離，避免傳輸過(guò)程中樹(shù)脂對(duì)設(shè)備、環(huán)境的污染，更加適用于一些要求苛刻的環(huán)境。
[0031]作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述引導(dǎo)裝置還包括多干個(gè)用于對(duì)長(zhǎng)纖維換向的導(dǎo)向輥5，利于長(zhǎng)纖維的牽拉、引導(dǎo)及換向。
[0032]在本實(shí)施例中，所述樹(shù)脂池2為避光的密閉容器，其中設(shè)有樹(shù)脂材料；所述樹(shù)脂樹(shù)脂材料由單體、預(yù)聚體、交聯(lián)劑、光引發(fā)劑及溶劑組成；主物質(zhì)和特殊物質(zhì)分類包括:環(huán)氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、純丙烯酸酯、有機(jī)硅低聚物、光固化聚丁二烯低聚物及有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化樹(shù)脂，可根據(jù)具體要求進(jìn)行調(diào)整。
[0033]作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述材料盒I中的長(zhǎng)纖維為連續(xù)長(zhǎng)纖維絲或連續(xù)長(zhǎng)纖維帶或連續(xù)長(zhǎng)纖維片，本實(shí)施例采用的是長(zhǎng)纖維絲。
[0034]作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述材料盒中的長(zhǎng)纖維為植物纖維、粘膠纖維、動(dòng)物纖維、礦物纖維、合成纖維及無(wú)機(jī)纖維中的一種或幾種；所述植物纖維包括棉、麻和竹中一種或幾種；所述動(dòng)物纖維包括羊毛和蠶絲中一種或幾種；所述礦物纖維包括二氧化硅、氧化鋁和氧化鎂中一種或幾種；所述合成纖維包括酯(滌綸)、聚酰胺(錦綸或尼龍)、聚乙烯醇(維綸)、聚丙烯腈(腈綸)、聚丙烯(丙綸)和聚氯乙烯(氯綸)中一種或幾種；所述無(wú)機(jī)纖維玻璃，金屬和碳纖維中一種或幾種；可對(duì)纖維材料進(jìn)行選配(成分、配比)，以提高材料的力學(xué)性能。
[0035]利用長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料快速成型系統(tǒng)的快速成型方法，主要包括以下步驟:
[0036](I)建立三維構(gòu)造體幾何模型，對(duì)幾何模型進(jìn)行切片分層，并將數(shù)據(jù)信息傳送至3D打印系統(tǒng)中；
[0037](2)設(shè)置引導(dǎo)裝置行走路徑；
[0038](3)控制終端輸出控制信號(hào)，引導(dǎo)裝置將長(zhǎng)纖維從材料盒I中牽拉出來(lái)，經(jīng)過(guò)樹(shù)脂池2時(shí)對(duì)長(zhǎng)纖維進(jìn)行光固化樹(shù)脂或熱固化樹(shù)脂浸潤(rùn)，制備成樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料后引導(dǎo)裝置將復(fù)合材料送入3D打印系統(tǒng)3中的打印頭6內(nèi)；
[0039](4)樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料在打印頭6的牽引下按模型切片進(jìn)行截面鋪設(shè)，鋪設(shè)完成后對(duì)截面進(jìn)行光固化，形成一個(gè)薄層截面；逐層疊加并固化，后清理處理，獲得最終結(jié)構(gòu)件7。
[0040](5)將獲得的結(jié)構(gòu)件7再進(jìn)行熱固化，可進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)件7的力學(xué)性能。
[0041]作為上述流程的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟(4)中截面光固化與切面截面鋪設(shè)同步進(jìn)行，可顯著提高成型效率。
[0042]根據(jù)樹(shù)脂材料的不同情況，光固化的光源8可為激光或波長(zhǎng)為400_190nm的紫外光；另外，根據(jù)待成型結(jié)構(gòu)件的情況，光固化的光源也可在點(diǎn)光源、線光源或面光源間選擇。
[0043]最后說(shuō)明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的快速成型系統(tǒng)，其特征在于:包括裝有連續(xù)長(zhǎng)纖維的材料盒、用于牽引長(zhǎng)纖維的引導(dǎo)裝置、用于制備樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料的樹(shù)脂池、用于將樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料制作成結(jié)構(gòu)件的3D打印系統(tǒng)、光源及控制各組成部分的控制系統(tǒng)；所述控制系統(tǒng)包括對(duì)應(yīng)設(shè)置在材料盒與樹(shù)脂池內(nèi)的檢測(cè)模塊及接收、處理并輸出各組成部分控制信息的控制終端；所述材料盒、引導(dǎo)裝置與樹(shù)脂池對(duì)應(yīng)設(shè)有若干組，所述長(zhǎng)纖維纏繞成卷S封在材料盒中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的快速成型系統(tǒng)，其特征在于:所述弓I導(dǎo)裝置還包括多干個(gè)用于對(duì)長(zhǎng)纖維換向的導(dǎo)向輥。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的快速成型系統(tǒng)，其特征在于:所述樹(shù)脂池為避光的密閉容器，其中設(shè)有光固化樹(shù)脂材料；所述光固化樹(shù)脂材料由單體、預(yù)聚體、交聯(lián)劑、光引發(fā)劑及溶劑組成；主物質(zhì)和特殊物質(zhì)分類包括:環(huán)氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、純丙烯酸酯、有機(jī)硅低聚物、光固化聚丁二烯低聚物及有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化樹(shù)脂。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的快速成型系統(tǒng)，其特征在于:所述材料盒中的長(zhǎng)纖維為連續(xù)長(zhǎng)纖維絲或連續(xù)長(zhǎng)纖維帶或連續(xù)長(zhǎng)纖維片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的快速成型系統(tǒng)，其特征在于:所述材料盒中的長(zhǎng)纖維為植物纖維、粘膠纖維、動(dòng)物纖維、礦物纖維、合成纖維及無(wú)機(jī)纖維中的一種或幾種。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的快速成型系統(tǒng)，其特征在于:所述植物纖維包括棉、麻和竹中一種或幾種；所述動(dòng)物纖維包括羊毛和蠶絲中一種或幾種；所述礦物纖維包括二氧化硅、氧化鋁和氧化鎂中一種或幾種；所述合成纖維包括酯(滌綸)、聚酰胺(錦綸或尼龍)、聚乙烯醇(維綸)、聚丙烯腈(腈綸)、聚丙烯(丙綸)和聚氯乙烯(氯綸)中一種或幾種；所述無(wú)機(jī)纖維玻璃，金屬和碳纖維中一種或幾種。
7.一種利用權(quán)利要求1-6所述的連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料快速成型系統(tǒng)的快速成型方法，其特征在于主要包括以下步驟: (1)建立三維構(gòu)造體幾何模型，對(duì)幾何模型進(jìn)行切片分層，并將數(shù)據(jù)信息傳送至3D打印系統(tǒng)中； (2)設(shè)置引導(dǎo)裝置行走路徑； (3)控制終端輸出控制信號(hào)，引導(dǎo)裝置將長(zhǎng)纖維從材料盒中牽拉出來(lái)，經(jīng)過(guò)樹(shù)脂池時(shí)對(duì)長(zhǎng)纖維進(jìn)行光固化樹(shù)脂或熱固化樹(shù)脂浸潤(rùn)，制備成樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料后引導(dǎo)裝置將復(fù)合材料送入3D打印系統(tǒng)中的打印頭內(nèi)； (4)樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料在打印頭的牽引下按模型切片進(jìn)行截面鋪設(shè)，鋪設(shè)完成后對(duì)截面進(jìn)行光固化，形成一個(gè)薄層截面；逐層疊加并固化，后清理處理，獲得最終結(jié)構(gòu)件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的快速成型方法，其特征在于:還包括步驟(5)，將獲得的結(jié)構(gòu)件再進(jìn)行熱固化。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的快速成型方法，其特征在于:所述步驟(4)中截面光固化與切面截面鋪設(shè)同步進(jìn)行。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的快速成型方法，其特征在于:光固化的光源為激光或波長(zhǎng)為400-190nm的紫外光。
【文檔編號(hào)】B29C70/54GK104385613SQ201410363177
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】段宣明, 曹良成, 范樹(shù)遷, 劉基權(quán), 徐佼, 曹洪忠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院