本發(fā)明涉及一種長纖維增強熱塑性復合材料構件的三維打印成形方法，屬于復合材料成型技術領域。該發(fā)明主要用于制備長纖維增強熱塑性復合材料，可以顯著提高纖維與樹脂的界面結合效果和復合材料構件的纖維體積分數(shù)。

背景技術：

目前長纖維增強熱塑性復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以上，通過多對壓輥的連續(xù)運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制件，切割后的預制件通過局部熔融熱塑性基體將預切割層合板點焊在一起，然后將其送入高壓釜中進行熔融成型。高壓釜成型工藝適合制造大型且復雜的制件，但設備費用投入大，需要進行大量的手工輔助操作。水輔助注射成型技術得到的產(chǎn)品質量輕、樹脂成本相對較低、循環(huán)時間短、樹脂部件的設計和生產(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計具有更大的自由度、節(jié)省物料、產(chǎn)品質量輕和工具成本等優(yōu)點，但因為增加了附加的成型參數(shù)，使成型窗口和成型工藝的控制變的更加困難。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有長纖維熱塑性復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合材料構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合材料，具有纖維與樹脂界面結合效果好、纖維取向性好、纖維體積分數(shù)高、整體性能優(yōu)良等優(yōu)點。

本發(fā)明所述的一種長纖維熱塑性復合材料構件的三維打印成形方法，具體包括以下工藝步驟：

S1：對復合材料構件CAD模型沿Z向進行分層，生成構件的層片數(shù)據(jù)和截面輪廓數(shù)據(jù)；

S2：依據(jù)當前層片數(shù)據(jù)，增強紗線經(jīng)過展纖機構（3）預加熱并形成具有指定寬度的紗線帶；

同時將相應配比的熱塑性樹脂經(jīng)過牽伸機構（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，形成單層預浸紗，預浸紗擠壓后形成具有指定形狀和尺寸的預浸絲束；

S4：通過CAD驅動控制預浸絲束進行任意方向的打印，沿打印路徑進行同步加熱加壓固化，完成當前層復合材料打?。?/p>

S5：基臺下移一定高度，繼續(xù)采用步驟S2、S3和S4進行下一層的打??；

S6：完成所有層打印后，將復合材料構件從基臺上取下，經(jīng)過機加工后完成制備。

根據(jù)權利要求1所述的一種長纖維熱塑性復合材料構件的三維打印成形方法，所述的增強紗線和展纖機構（3）是一組或多組。

根據(jù)權利要求1所述的一種長纖維熱塑性復合材料構件的三維打印成形方法，所述的增強紗線是硼纖維紗線、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)權利要求1所述的一種長纖維熱塑性復合材料構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)權利要求1所述的一種長纖維熱塑性復合材料構件的三維打印成形方法，所述的增強紗線的規(guī)格是1K、3K、6K、12K中的一種或幾種。

根據(jù)權利要求1所述的一種長纖維熱塑性復合材料構件的三維打印成形方法，所述的牽伸機構（2）和展纖機構（3）可通過CAD驅動分別控制樹脂帶和展開紗線帶的寬度。

根據(jù)權利要求1所述的一種長纖維熱塑性復合材料構件的三維打印成形方法，所述的定型裝置（6）可通過CAD驅動控制預浸絲束的形狀和尺寸。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所設計的長纖維熱塑性復合材料構件的三維打印成形方法具有以下顯著優(yōu)點：

（1）通過展纖機構將增強紗線進行展開，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合性能，從而提高了復合材料構件的力學性能；

（2）增強紗線可以按依據(jù)CAD模型層片數(shù)據(jù)，進行任意角度鋪放，打印自由度較大，可實現(xiàn)具有復雜結構的長纖維復合材料構件的打印成形；

（3）通過控制增強紗線與樹脂的配比，可以實現(xiàn)高纖維體積分數(shù)復合材料構件的三維打印成形。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種長纖維熱塑性復合材料構件的三維打印成形方法原理示意圖；

附圖標記

i₁、i₂、i_n—放線筒，1—擠出裝置，2—牽伸機構，3—展纖機構，4—復合裝置，5—預浸紗，6—定型裝置，7—預浸絲束，8—導向裝置，9—壓實裝置。

具體實施方式

下面結合具體實施例及附圖說明，對本發(fā)明做進一步的闡述說明。以下實施例僅用于說明而不是用于限制本發(fā)明的范圍。此外，本領域技術人員在閱讀了本發(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利要求書所限定的范圍。

實施例1：該長纖維熱塑性復合材料構件包括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。復合材料構件厚度為5mm。

具體實施步驟：

（1）對復合材料構件CAD模型沿Z向進行分層，生成構件的層片數(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)過展纖機構（3）形成具有一定寬度的紗線帶，輸送到復合裝置（4）；同時依據(jù)當前層片數(shù)據(jù)，選取相應配比的聚苯硫醚經(jīng)擠出裝置（1）熔融擠出，經(jīng)過牽伸機構（2）形成具有一定寬度的樹脂膜，輸送至復合裝置（4）；

（3）復合裝置（4）將樹脂膜加熱熔融，包覆紗線帶，經(jīng)復合裝置（4）擠壓使熔融樹脂充分浸潤紗線帶，形成單層預浸紗（5），預浸紗（5）經(jīng)定型裝置（6）擠壓后形成具有一定寬度和厚度的預浸絲束（7），輸送至導向裝置（8）；

（4）通過CAD驅動控制導向裝置（8）牽引預浸絲束（7）進行任意方向的打印，通過CAD驅動控制壓實裝置（9）沿預浸絲束（7）打印路徑進行同步加熱加壓固化，完成當前層復合材料打??；

（5）基臺下移一定高度，繼續(xù)采用步驟（2）、（3）和（4）進行下一層的打印；

（6）完成所有層打印后，將復合材料構件從基臺上取下，經(jīng)過機加工后完成制備。