CN109203464B - 纤维增强热固性复合材料3d打印构件后固化方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种纤维增强热固性复合材料3D打印构件后固化方法及装置，方法是在装置内将3D打印预成型构件完全埋没在粉末中，同时通过外接真空泵给装置提供真空负压，再将装置置于高温环境当中激发固化剂活性，引发聚合交联反应固化成型，最后将已固化成型的构件取出，用水溶解掉附着的粉末，烘干后即得到最终成品；装置包括外壳，外壳的顶部通过密封胶连接有真空薄膜，真空薄膜和外壳共同形成一个封闭的腔室，腔室内部填充粉末，粉末内部埋有3D打印预成型构件；外壳侧面开两个孔，一个孔外通过快速接头和气管连接，另一个孔外连接有气流阀；本发明在纤维增强热固性复合材料3D打印构件的后固化过程中，保持树脂充分流动，维持构件形态。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料3D打印技术领域，具体涉及一种纤维增强热固性复合材料3D打印构件后固化方法及装置。
背景技术
3D打印耗材是3D打印技术的物质基础，也是限制3D打印技术进一步发展应用的瓶颈。目前，常用3D打印热塑性丝材制备的3D打印构件存在承载能力弱，层间性能极差，拉伸强度不足等诸多缺陷，这些缺陷严重地限制了其进一步的应用与发展。
根据最新的科学技术研究表明，提升性能最有效最直接的方法就是将纤维作为增强材料，复合树脂基体，形成纤维增强复合材料，用于3D打印。纤维的作用是用于增强负载能力，提高拉伸强度等等力学性能；基体材料则用于结合、保护纤维，并且均匀地传递与分配载荷；然而，热塑性树脂自身存在收缩开裂，翘曲变形，耐热性耐腐蚀性差，强度硬度低等诸多缺点，整体来说，其对于3D打印成型复合材料构件的性能虽然有所增强，但增强有限。故纤维增强热固性树脂基复合材料成为3D打印技术未来发展与应用的研究热点与必然趋势。但是，热固性树脂的成型过程需要进行化学反应，在添加固化剂之后，热固性树脂预聚物需在高温、高压、紫外光或其他诱导条件下经过深度聚合交联反应，固化成型。而在此严苛的后固化环境当中，如何维持3D打印纤维增强热固性复合材料预成型构件的原有形态，并顺利固化成为亟待解决的首要问题，因为针对3D打印复杂多变的构件形态，传统的模具定型高温高压固化方式已然无法满足新技术的要求。
综上所述，目前并没有针对纤维增强热固性复合材料3D打印构件后固化成型的方法或装置。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种纤维增强热固性复合材料3D打印构件后固化方法及装置，实现3D打印纤维增强热固性复合材料预成型构件的后固化过程，在保持树脂充分流动，纤维浸润性优异的同时，维持构件形态，定型控性同时满足。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案为：
一种纤维增强热固性复合材料3D打印构件后固化方法，包括以下步骤：在装置内将3D打印预成型构件完全埋没在粉末中，同时通过外接真空泵给装置提供真空负压，再将装置置于高温环境当中激发固化剂活性，引发聚合交联反应固化成型，最后将已固化成型的构件取出，用水溶解掉附着的粉末，烘干后即得到最终成品。
所述的3D打印预成型构件是短切纤维增强热固性树脂基复合材料预成型构件或连续纤维增强热固性树脂基复合材料预成型构件，纤维是碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维中的一种或多种复合，构件形状是平板结构、中空薄壁结构、镂空点阵结构、拓扑优化结构中的一种或多种组合。
所述的粉末是精盐粉末、金属粉末、无机物粉末中的一种或多种复合，能够添加水分或粘结剂促进粉末在真空负压下粘结成块。
所述的高温环境通过高温烘箱或加热炉提供，温度高于固化剂开始引发固化反应的最低温度，低于纤维氧化温度和粉末的熔点。
上述方法所采用的装置，包括外壳3，外壳3的顶部通过密封胶2连接有真空薄膜1，真空薄膜1和外壳3共同形成一个封闭的腔室，腔室内部填充粉末8，粉末8内部埋有3D打印预成型构件7；外壳3侧面开两个孔，孔内均分布有过滤毡4，一个孔外通过快速接头6和气管5连接，另一个孔外连接有气流阀9。
所述的真空薄膜1、密封胶2、过滤毡4、气管5、快速接头6和气流阀9耐热温度高于反应温度。
所述的真空薄膜1柔软可变形，在真空负压作用下向内凹陷挤压粉末8，维持3D打印预成型构件7的形态。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
1)本发明可同时满足单个或多个纤维增强热固性复合材料3D打印预成型构件的后固化成型，并在实现高温高压后固化的过程中，在保持树脂充分流动，纤维浸润性优异的同时，维持构件形态，定型控性同时满足。
2)本发明针对3D打印复杂多变的构件形态，采用粉末挤压式定型方法替代模具定型高温高压固化的传统方法，适应性好。
3)本发明采用的粉末、真空薄膜、密封胶等均可以重复多次使用，绿色环保，并且粉末的水溶性的特点给去除表面附着粉末时带来极大便利。
4)本发明解决了纤维增强热固性复合材料预成型3D打印构件后固化成型的难题，通过3D打印技术的广泛运用，极大地普及和拓展了热固性复合材料构件的应用领域。
附图说明
图1是本发明的装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步描述。
参照图1，一种纤维增强热固性复合材料3D打印构件后固化装置，包括外壳3，外壳3的顶部通过密封胶2连接有真空薄膜1，真空薄膜1和外壳3共同形成一个封闭的腔室，腔室内部填充粉末8，粉末8内部埋有3D打印预成型构件7；外壳3侧面开两个孔，孔内均分布有过滤毡4，一个孔外通过快速接头6和气管5连接，通过气管5外接真空泵提供真空环境，另一个孔外连接有气流阀9，气流阀9在真空加载过程中封闭，固化结束后打开气流阀9，通入空气，腔室内部粉末流动溃陷，便于最终成品取出。
所述的真空薄膜1、密封胶2、过滤毡4、气管5、快速接头6和气流阀9耐热温度高于反应温度。
所述的真空薄膜1柔软可变形，在真空负压作用下向内凹陷挤压粉末8，维持3D打印预成型构件7的形态。
一种纤维增强热固性复合材料3D打印构件后固化方法，包括以下步骤：在装置内将3D打印预成型构件7完全埋没在粉末8中，同时通过外接真空泵给装置提供真空负压，再将装置置于高温环境当中激发固化剂活性，引发聚合交联反应固化成型，最后将已固化成型的构件取出，用水溶解掉附着的粉末8，烘干后即得到最终成品。
所述的3D打印预成型构件7是短切纤维增强热固性树脂基复合材料预成型构件或连续纤维增强热固性树脂基复合材料预成型构件，纤维是碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维中的一种或多种复合，构件形状是平板结构、中空薄壁结构、镂空点阵结构、拓扑优化结构中的一种或多种组合。
所述的粉末8是精盐粉末、金属粉末、无机物粉末中的一种或多种复合，能够添加水分或粘结剂促进粉末在真空负压下粘结成块。
所述的高温环境通过高温烘箱或加热炉提供，温度高于固化剂开始引发固化反应的最低温度，低于纤维氧化温度和粉末的熔点。
Claims (8)
1.一种纤维增强热固性复合材料3D打印构件后固化方法，其特征在于，包括以下步骤：在装置内将3D打印预成型构件完全埋没在粉末中，同时通过外接真空泵给装置提供真空负压，再将装置置于高温环境当中激发固化剂活性，引发聚合交联反应固化成型，最后将已固化成型的构件取出，用水溶解掉附着的粉末，烘干后即得到最终成品。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强热固性复合材料3D打印构件后固化方法，其特征在于：所述的3D打印预成型构件是短切纤维增强热固性树脂基复合材料预成型构件或连续纤维增强热固性树脂基复合材料预成型构件，纤维是碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维中的一种或多种复合，构件形状是平板结构、中空薄壁结构、镂空点阵结构、拓扑优化结构中的一种或多种组合。
3.根据权利要求1所述的一种纤维增强热固性复合材料3D打印构件后固化方法，其特征在于：所述的粉末是无机物粉末中的一种或多种复合，能够添加水分或粘结剂促进粉末在真空负压下粘结成块。
4.根据权利要求1所述的一种纤维增强热固性复合材料3D打印构件后固化方法，其特征在于：所述的粉末是精盐粉末、金属粉末中的一种或多种复合，能够添加水分或粘结剂促进粉末在真空负压下粘结成块。
5.根据权利要求1所述的一种纤维增强热固性复合材料3D打印构件后固化方法，其特征在于：所述的高温环境通过高温烘箱或加热炉提供，温度高于固化剂开始引发固化反应的最低温度，低于纤维氧化温度和粉末的熔点。
6.根据权利要求1所述的一种纤维增强热固性复合材料3D打印构件后固化方法所采用的装置，其特征在于：包括外壳(3)，外壳(3)的顶部通过密封胶(2)连接有真空薄膜(1)，真空薄膜(1)和外壳(3)共同形成一个封闭的腔室，腔室内部填充粉末(8)，粉末(8)内部埋有3D打印预成型构件(7)；外壳(3)侧面开两个孔，孔内均分布有过滤毡(4)，一个孔外通过快速接头(6)和气管(5)连接，另一个孔外连接有气流阀(9)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述的真空薄膜(1)、密封胶(2)、过滤毡(4)、气管(5)、快速接头(6)和气流阀(9)耐热温度高于反应温度。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述的真空薄膜(1)柔软可变形，在真空负压作用下向内凹陷挤压粉末(8)，维持3D打印预成型构件(7)的形态。
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