一种碳纤维增强复合材料的3d打印方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种碳纤维增强复合材料的3D打印方法及装置，其装置主要包括放卷装置、送料装置、打印供料头、激光发生器、激光头一、激光头二和工作台，碳纤维增强复合材料带卷曲在放卷装置上，由送料装置驱动使碳纤维增强复合材料带进入打印供料头，打印供料头将碳纤维增强复合材料带铺设在工作台上，激光发生器的激光源一分为二成为激光头一和激光头二对碳纤维增强复合材料带的侧面和底面进行加热，工作台具有打印成型所需的三维运动。本发明由于采用碳纤维增强复合材料带进行打印，原料不需要完全熔化，具有节省能源、工艺简单、成本更低和打印速度快的特点，产品适用性强，尤其适合大型制品打印成型，产品能够应用于航天领域与高端汽车等领域。
【专利说明】一种碳纤维增强复合材料的3D打印方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及新型3D打印机【技术领域】，尤其涉及一种碳纤维增强复合材料的3D打印方法及装置。
技术背景
[0002]3D打印是快速成型技术的一种形式，其原理是通过逐层打印的方式来创造实物。
[0003]现有的3D打印机多是利用热熔喷嘴、激光束、光固化等方式将金属粉末、塑料等材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业车、铣、刨、磨等机械加工方式相比，3D打印技术具有劳动强度低、速度快及价格便宜等优点。但目前的3D打印技术基本都是加工制造小制品，或者通过先加工小零件在组装而成整体。对于加工大型尺寸的塑料制品时，制造难度大、效率低且加工成本高。
[0004]目前的3D成型材料主要是聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸二醇酯、聚芳酯以及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯等热塑性材料或少数金属材料。中国专利(专利公布号CN103756293A)公开了一种3D打印材料，该材料包括热塑性塑料粉末和粘接剂，粘接度和牢固度都较高，但是这些材料硬度、强度仍然较低，打印出来的部件较脆易碎；中国专利(专利公布号CN103862040A)公开了一种用于3D打印的镁基金属粉末的材料，该材料以金属镁粉为基本材料克服了热塑性材料打印制品硬度、强度不高的缺点，但是打印出来的制品重量较大，不适合应用于航天领域与高端汽车等领域。
[0005]而碳纤维增强复合材料具有碳材料的固有本征特性，又有纺织纤维的柔软可加工性，优越的综合性能使其成为新一代军民两用的先进复合材料，现有的碳纤维增强复合材料制品多采用注射成型的方法，成型制品工艺复杂、成本较高，并且难以成型大型制品。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是针对现有技术所存在的不足，提供一种碳纤维增强复合材料的3D打印方法及装置，基于微积分原理将制品模型切成若干条带状单元，利用打印机喷头精确定位铺设碳纤维增强复合材料，同时利用激光加热熔接相邻带状碳纤维增强复合材料直到成型整个制品，这种方法特别适用于加工大型制品，能提高复杂制品的生产效率和降低加工成本，且打印出来的实体部件强度和刚度都能大大的提高。
[0007]本发明采用的技术方案是:一种碳纤维增强复合材料的3D打印装置，主要包括放卷装置、送料装置、打印供料头、激光发生器、激光头一、激光头二和工作台，由碳纤维增强复合材料制成的带卷曲在放卷装置上，由送料装置驱动进入打印供料头，打印供料头将碳纤维增强复合材料带铺设在工作台上，激光发生器的激光源一分为二成为激光头一和激光头二对碳纤维增强复合材料带的侧面和底面进行加热，工作台具有打印成型所需的三维运动。
[0008]本发明一种碳纤维增强复合材料的3D打印装置，所述的激光发生器功率可以调节，激光发生器发出的激光是线性激光，激光一分为二，给激光头一和激光头二提供激光源，线性激光的宽度可以根据打印供料头宽度调节，线性激光的功率根据打印材料熔融需要的温度和速度进行调节，激光加热具有加热快，熔化层薄的优势能够达到快速打印的目的，送料装置的送料速度要跟激光加热的强度和时间相协调，确保每个相邻的碳纤维增强复合材料带都能牢固地粘接在一起。
[0009]本发明一种碳纤维增强复合材料的3D打印装置，所述的碳纤维增强复合材料带为带状的碳纤维长纤维或者短纤维填充的热塑性聚合物复合材料，带宽3mm-80mm，厚度0.5mm-30mm，碳纤维增强复合材料带的基体可为ABS树脂或其他热塑性工程树脂。
[0010]采用本发明一种碳纤维增强复合材料的3D打印装置进行打印的方法，卷曲在放卷装置上的碳纤维增强复合材料带由送料装置驱动喂料进入打印机供料头，工作台在程序驱带动下进行X-Y-Z三维的运动，在将碳纤维增强复合材料铺设在工作台的同时，激光发生器的激光头一和激光头二对带状碳纤维增强复合材料带的侧面和底面进行加热，将碳纤维增强复合材料带与相邻的带状碳纤维增强复合材料粘接在一起，该过程重复直到完整制品的打印为止。
[0011]本发明一种碳纤维增强复合材料的3D打印方法，在打印目标产品外部细节时，调换丝状碳纤维增强复合材料，细节处所用材料为长碳纤维和树脂的复合材料或者无纤维填充的工程塑料的细丝，丝线直径0.5-3mm,复合材料为ABS树脂和短碳纤维的复合材料，细丝打印材料满足细部打印的灵活性和精度的要求。
[0012]本发明一种碳纤维增强复合材料的3D打印方法，在打印目标产品外部细节时，也可直接调换点激光对打印用的细丝进行加热。
[0013]本发明一种碳纤维增强复合材料的3D打印方法及装置，由于采用碳纤维增强复合材料带进行打印，原料不需要完全熔化，只是将碳纤维增强复合材料带的底部或侧部进行快速加热粘接，具有节省能源、工艺简单、成本更低和打印速度快的特点，产品适用性强，尤其适合大型制品的打印成型，产品能够应用于航天领域与高端汽车等领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明一种碳纤维增强复合材料的3D打印装置原理示意图。
[0015]图2是碳纤维增强复合材料制品示意图。
[0016]图3是碳纤维增强复合材料带的断面示意图，含片状长碳纤维材料的短碳纤维复合基体材料。
[0017]图4是碳纤维增强复合材料带的断面示意图，ABS/短碳纤维复合基体材料。
[0018]图5是碳纤维增强复合材料带的断面示意图，含片状长碳纤维材料。
[0019]图中，1、放卷装置，2、碳纤维增强复合材料带，2-1、带状长碳纤维材料，2-2、短碳纤维材料，3、送料装置，4、打印供料头，5、激光发生器，6、激光头一，7、激光头二和8、工作台。
【具体实施方式】
[0020]现结合附图对本发明专利详细描述如下:
[0021]本发明一种碳纤维增强复合材料的3D打印方法及装置，如图1、图2所示，所述的装置包括放卷装置1、送料装置3、打印供料头4、激光发生器5、激光头一 6、激光头二 7以及工作台8，所述的碳纤维增强复合材料带2卷曲在放卷装置1上，由送料装置3驱动进入打印供料头4，打印供料头4将碳纤维增强复合材料带2铺设在工作台8上，激光发生器5的激光源一分为二成为激光头一 6和激光头二 7对带状碳纤维增强复合材料2的侧面和底面进行加热。
[0022]本发明一种碳纤维增强复合材料的3D打印装置，如图1所示，所述的激光发生器5功率可以调节，激光发生器5发出的激光是线性激光，激光一分为二，给激光头一 6和激光头二 7提供激光源，线性激光的宽度可以根据打印供料头4宽度调节，线性激光的功率根据打印材料熔融需要的温度和速度进行调节，激光加热具有加热快，熔化层薄的优势能够达到快速打印的目的，送料装置的送料速度要跟激光加热的强度和时间相协调，确保每个相邻的带状碳纤维增强复合材料带2都能牢固的粘接在一起。
[0023]本发明一种碳纤维增强复合材料的3D打印装置，所述的碳纤维增强复合材料带2为带状的碳纤维长纤维或者短纤维填充的热塑性聚合物复合材料，带宽3mm-80mm，厚度
0.5mm-30mm，碳纤维增强复合材料带2的基体可为ABS树脂或其他热塑性工程树脂。
[0024]本发明一种碳纤维增强复合材料的3D打印方法，如图1、图2所示，所述的方法是卷曲在放卷装置1上的碳纤维增强复合材料带2由送料装置3驱动喂料进入打印机供料头4 ;打印机供料头4在程序驱带动下进行X-Y 二维平面上的运动，工作台8具有Z向的运动，或者打印机供料头4不动，工作台8在程序驱带动下进行X-Y-Z三维上的运动；将碳纤维增强复合材料带2铺设在工作台8的同时，激光发生器5的激光头一 6和激光头二 7对碳纤维增强复合材料带2的侧面和底面进行加热，将碳纤维增强复合材料带2与相邻的带状碳纤维增强复合材料粘接在一起，对于部分转角或者打印供料头无法达到的部分，转换到丝状材料的打印供料头4和点激光源组件，进行细节部分的打印工作，直到完整制品打印完成。
[0025]本发明一种碳纤维增强复合材料的3D打印方法，在打印目标产品外部细节时，调换丝状碳纤维增强复合材料，细节处所用材料为长碳纤维和树脂的复合材料或者无纤维填充的工程塑料的细丝，丝线直径0.5-3mm,复合材料为ABS树脂和短碳纤维的复合材料，细丝打印材料满足细部打印的灵活性和精度的要求。
[0026]本发明一种碳纤维增强复合材料的3D打印方法，在打印目标产品外部细节时，也可直接调换点激光对打印用的细丝进行加热。
【权利要求】
1.一种碳纤维增强复合材料的30打印装置，其特征在于:主要包括放卷装置、送料装置、打印供料头、激光发生器、激光头一、激光头二和工作台，碳纤维增强复合材料带卷曲在放卷装置上，由送料装置驱动使碳纤维增强复合材料带进入打印供料头，打印供料头将碳纤维增强复合材料带铺设在工作台上，激光发生器的激光源一分为二成为激光头一和激光头二对碳纤维增强复合材料带的侧面和底面进行加热，工作台具有打印成型所需的三维运动。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料的30打印装置，其特征在于:所述的激光发生器功率可以调节，激光发生器发出的激光是线性激光，线性激光的宽度根据打印供料头宽度调节，线性激光的功率根据打印材料熔融需要的温度和速度进行调节，送料装置的送料速度跟激光加热的强度和时间相协调。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料的30打印装置，其特征在于:碳纤维增强复合材料带为带状的碳纤维长纤维或者短纤维填充的热塑性聚合物复合材料，带宽3111111-80111111,厚度 0.
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料的30打印装置，其特征在于:碳纤维增强复合材料带的基体可为八83树脂或其他热塑性工程树脂。
5.采用权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料的30打印装置进行打印的方法，其特征在于:卷曲在放卷装置上的碳纤维增强复合材料带由送料装置驱动喂料进入打印机供料头，工作台在程序驱动下进行\-巧三维的运动，在将碳纤维增强复合材料铺设在工作台的同时，激光发生器的激光头一和激光头二对带状碳纤维增强复合材料带的侧面和底面进行加热，将碳纤维增强复合材料带与相邻的带状碳纤维增强复合材料粘接在一起，该过程重复直到完整制品的打印为止。
6.根据权利要求5所述的一种碳纤维增强复合材料的30打印方法，其特征在于:一部分碳纤维增强复合材料带用丝状碳纤维增强复合材料代替，制品细节处用长碳纤维和树脂的复合材料或者无纤维填充的工程塑料的细丝打印。
7.根据权利要求6所述的一种碳纤维增强复合材料的30打印方法，其特征在于:丝线直径 0.5-3111111。
8.根据权利要求6所述的一种碳纤维增强复合材料的30打印方法，其特征在于:调换点激光对打印用的细丝进行加热。
9.根据权利要求5所述的一种碳纤维增强复合材料的30打印方法，其特征在于:工作台在程序驱动下进行\-巧三维的运动可以更换成打印机供料头在程序驱动下进行XI 二维平面上的运动，工作台具有2向的运动。
【文档编号】B29C67/00GK104309122SQ201410551215
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月17日 优先权日:2014年10月17日
【发明者】李好义, 杨华光, 何雪涛, 迟百宏, 阎华 , 丁玉梅, 杨卫民 申请人:北京化工大学