本发明公开了一种连续长纤维增强复合材料的快速成型系统及方法，包括装有连续长纤维的材料盒、用于牵引长纤维的引导装置、用于制备树脂基纤维复合材料的树脂池、用于将树脂基纤维复合材料制作成结构件的3D打印系统、光源及控制各组成部分的控制系统，所述材料盒、引导装置与树脂池对应设有若干组，所述长纤维缠绕成卷密封在材料盒中；通过连续对长纤维进行树脂材料浸润，获得长纤维增强复合材料，再通过3D打印系统固化成型，得到长纤维增强复合材料结构件，本发明系统布置紧凑，不仅可简单快速的实现长纤维与树脂材料的更新替换，同时还可实现3D打印系统3的多种材料同步合成；整体装置简单，自动化程度高，特别适用于工业生产。
1.一种连续长纤维增强复合材料的快速成型系统，其特征在于：包括装有连续长纤维的材料盒、用于牵引长纤维的引导装置、用于制备树脂基纤维复合材料的树脂池、用于将树脂基纤维复合材料制作成结构件的3D打印系统、光源及控制各组成部分的控制系统；所述控制系统包括对应设置在材料盒与树脂池内的检测模块及接收、处理并输出各组成部分控制信息的控制终端；所述材料盒、引导装置与树脂池对应设有若干组，所述长纤维缠绕成卷密封在材料盒中。
2.根据权利要求1所述的连续长纤维增强复合材料的快速成型系统，其特征在于：所述引导装置还包括若干个用于对长纤维换向的导向辊。
3.根据权利要求1所述的连续长纤维增强复合材料的快速成型系统，其特征在于：所述树脂池为避光的密闭容器，其中设有光固化树脂材料；所述光固化树脂材料由单体、预聚体、交联剂、光引发剂及溶剂组成，光固化树脂材料成分包括环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、纯丙烯酸酯、有机硅低聚物、光固化聚丁二烯低聚物及有机-无机杂化树脂中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的连续长纤维增强复合材料的快速成型系统，其特征在于：所述材料盒中的长纤维为连续长纤维丝或连续长纤维带或连续长纤维片。
5.根据权利要求1所述的连续长纤维增强复合材料的快速成型系统，其特征在于：所述材料盒中的长纤维为植物纤维、粘胶纤维、动物纤维、矿物纤维、合成纤维及无机纤维中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的连续长纤维增强复合材料的快速成型系统，其特征在于：所述植物纤维包括棉、麻和竹中一种或几种；所述动物纤维包括羊毛和蚕丝中一种或几种；所述矿物纤维包括二氧化硅、氧化铝和氧化镁中一种或几种；所述合成纤维包括涤纶、锦纶、维纶、腈纶、丙纶和氯纶中一种或几种；所述无机纤维包括玻璃，金属和碳纤维中一种或几种。
7.一种利用权利要求1-6任一项所述的连续长纤维增强复合材料快速成型系统的快速成型方法，其特征在于包括以下步骤：（1）建立三维构造体几何模型，对几何模型进行切片分层，并将数据信息传送至3D打印系统中；
（3）控制终端输出控制信号，引导装置将长纤维从材料盒中牵拉出来，经过树脂池时对长纤维进行光固化树脂或热固化树脂浸润，制备成树脂基纤维复合材料后引导装置将复合材料送入3D打印系统中的打印头内；
（4）树脂基纤维复合材料在打印头的牵引下按模型切片进行截面铺设，铺设完成后对截面进行光固化，形成一个薄层截面；逐层叠加并固化，后清理处理，获得最终结构件。
8.根据权利要求7所述的连续长纤维增强复合材料的快速成型方法，其特征在于：还包括步骤（5），将获得的结构件再进行热固化。
9.根据权利要求7所述的连续长纤维增强复合材料的快速成型方法，其特征在于：所述步骤（4）中截面光固化与切面截面铺设同步进行。
10.根据权利要求7所述的连续长纤维增强复合材料的快速成型方法，其特征在于：光固化的光源为激光或波长为400-190 nm的紫外光。
连续长纤维增强复合材料的快速成型系统及方法
技术领域
[0001] 本发明属于快速成型领域，涉及一种连续长纤维增强复合材料的快速成型系统及方法。
背景技术
[0002] 立体光固化技术(SLA)是最早实用化的快速成形技术，其采用液态光敏树脂为原料，工艺原理是用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。其工艺过程先后经历了“CAD三维实体模型—模型切片—路径规划—激光扫描—叠加成型—显影—最终固化—样品”等路线。立体光固化技术主要用于制造多种模具、模型等；还可以在原料中通过加入其它成分，用立体光固化原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。立体光固化技术成形速度较快，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。
[0003] 尽管SLA已经有了三十年的技术发展，因制品塑料感浓厚，力学性能较差，目前产品还停留在打印一个玩具、模型的阶段，无法在高性能市场如航空航天、汽车赛车、机器人和医疗等领域应用。向光固化树脂中掺杂高强度、高性能的纤维，制成复合材料，以预期提高光固化产品的各项性能，是发展SLA增材制造技术的重要方向之一。目前的纤维3D打印系统通常是把短纤维分散到树脂体系中制成复合材料，然后通过逐层固化成型的方法制备结构件，这样的方法生产效率低，做成的结构件受到树脂的限制尺寸有限。因此，发展连续长纤维增强复合材料的3D打印技术是必然趋势。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种力学性能强、成型过程简单的连续长纤维增强复合材料的快速成型系统及方法。
[0005] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：包括装有连续长纤维的材料盒、用于牵引长纤维的引导装置、用于制备树脂基纤维复合材料的树脂池、用于将树脂基纤维复合材料制作成结构件的3D打印系统、光源及控制各组成部分的控制系统；所述控制系统包括对应设置在材料盒与树脂池内的检测模块及接收、处理并输出各组成部分控制信息的控制终端；所述材料盒、引导装置与树脂池对应设有若干组，所述长纤维缠绕成卷密封在材料盒中。
[0006] 进一步，所述引导装置还包括若干个用于对长纤维换向的导向辊。
[0007] 进一步，所述树脂池为避光的密闭容器，其中设有光固化树脂材料；所述光固化树脂材料由单体、预聚体、交联剂、光引发剂及溶剂组成；包括环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、纯丙烯酸酯、有机硅低聚物、光固化聚丁二烯低聚物及有机-无机杂化树脂中的一种或几种。
[0008] 进一步，所述材料盒中的长纤维为连续长纤维丝或连续长纤维带或连续长纤维片。
[0009] 进一步，所述材料盒中的长纤维为植物纤维、粘胶纤维、动物纤维、矿物纤维、合成纤维及无机纤维中的一种或几种。
[0010] 进一步，所述植物纤维包括棉、麻和竹中一种或几种；所述动物纤维包括羊毛和蚕丝中一种或几种；所述矿物纤维包括二氧化硅、氧化铝和氧化镁中一种或几种；所述合成纤维包括涤纶、锦纶、尼龙、维纶、腈纶、丙纶和氯纶中一种或几种；所述无机纤维包括玻璃，金属和碳纤维中一种或几种。
[0011] 本发明还公开了一种利用上述连续长纤维增强复合材料快速成型系统的快速成型方法，包括以下步骤：
[0012] (1)建立三维构造体几何模型，对几何模型进行切片分层，并将数据信息传送至3D打印系统中；
[0013] (2)设置引导装置行走路径；
[0014] (3)控制终端输出控制信号，引导装置将长纤维从材料盒中牵拉出来，经过树脂池时对长纤维进行光固化树脂或热固化树脂浸润，制备成树脂基纤维复合材料后引导装置将复合材料送入3D打印系统中的打印头内；
[0015] (4)树脂基纤维复合材料在打印头的牵引下按模型切片进行截面铺设，铺设完成后对截面进行光固化，形成一个薄层截面；逐层叠加并固化，后清理处理，获得最终结构件。
[0016] 进一步，还包括步骤(5)，将获得的结构件再进行热固化。
[0017] 进一步，所述步骤(4)中截面光固化与切面截面铺设同步进行。
[0018] 进一步，光固化的光源为激光或波长为400-190nm的紫外光。
[0019] 本发明的有益效果在于：
[0020] (1)实现了连续长纤维复合材料的无模制造，大幅缩减了生产工期及成本；
[0021] (2)材料盒、引导装置与树脂池可对应设有若干组，不仅可简单快速的实现长纤维与树脂材料的更新替换，同时还可实现3D打印系统的多种材料同步合成；
[0022] (3)输送过程连续紧凑，设备密闭性好，获得的复合材料力学性能好；
[0023] (4)各组成部分均设有检测控制设备，实现了原料状态的实时监测，自动化程度高，减小了人员配备数量，特别适用于工业生产。
附图说明
[0024] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
[0025] 图1为本发明的系统示意图；
[0026] 图2为本发明的系统变形示意图。
具体实施方式
[0027] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0028] 如图所示，本发明所述的连续长纤维增强复合材料的快速成型系统，包括装有连续长纤维的材料盒1、用于牵引长纤维的引导装置、用于制备树脂基纤维复合材料的树脂池2、用于将树脂基纤维复合材料制作成结构件7的3D打印系统3、光源8及控制各组成部分的控制系统4；所述控制系统包括对应设置在材料盒1与树脂池2内的检测模块及接收、处理并输出各组成部分控制信息的控制终端4；所述材料盒1、引导装置与树脂池2对应设有若干组，所述长纤维缠绕成卷密封在材料盒1中；对不同的长纤维及树脂材料分类存储及合成，不仅可简单快速的实现长纤维与树脂材料的更新替换，3D打印系统3的多种材料同步合成，同时还可实现结构件的无模制造，尤其适合制备超轻高强结构件。
[0029] 在本实施例中，并行设置了两组材料盒1、引导装置与树脂池2，两个材料盒1中装有不同材料的长纤维，两个树脂池内装有不同成分的树脂材料，两种长纤维分别通过对应设置的引导装置牵引至各自对应的树脂池2内，再由引导装置送入3D打印系统3中固化成型，当然，也可根据实际使用需求对材料盒1、引导装置与树脂池2的数量进行调整。
[0030] 本系统的结构还有第二种变形形式，如图2所示，树脂池2被集成到了打印头6上，该结构可减少纤维在浸润后的传输距离，避免传输过程中树脂对设备、环境的污染，更加适用于一些要求苛刻的环境。
[0031] 作为上述方案的进一步改进，所述引导装置还包括若干个用于对长纤维换向的导向辊5，利于长纤维的牵拉、引导及换向。
[0032] 在本实施例中，所述树脂池2为避光的密闭容器，其中设有树脂材料；所述树脂树脂材料由单体、预聚体、交联剂、光引发剂及溶剂组成；包括环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、纯丙烯酸酯、有机硅低聚物、光固化聚丁二烯低聚物及有机-无机杂化树脂中的一种或几种；可根据具体要求进行调整。
[0033] 作为上述方案的进一步改进，所述材料盒1中的长纤维为连续长纤维丝或连续长纤维带或连续长纤维片，本实施例采用的是长纤维丝。
[0034] 作为上述方案的进一步改进，所述材料盒中的长纤维为植物纤维、粘胶纤维、动物纤维、矿物纤维、合成纤维及无机纤维中的一种或几种；所述植物纤维包括棉、麻和竹中一种或几种；所述动物纤维包括羊毛和蚕丝中一种或几种；所述矿物纤维包括二氧化硅、氧化铝和氧化镁中一种或几种；所述合成纤维包括涤纶、锦纶、尼龙、维纶、腈纶、丙纶和氯纶中一种或几种；所述无机纤维包括玻璃，金属和碳纤维中一种或几种；可对纤维材料进行选配(成分、配比)，以提高材料的力学性能。
[0035] 利用长纤维增强复合材料快速成型系统的快速成型方法，包括以下步骤：
[0036] (1)建立三维构造体几何模型，对几何模型进行切片分层，并将数据信息传送至3D打印系统中；
[0037] (2)设置引导装置行走路径；
[0038] (3)控制终端输出控制信号，引导装置将长纤维从材料盒1中牵拉出来，经过树脂池2时对长纤维进行光固化树脂或热固化树脂浸润，制备成树脂基纤维复合材料后引导装置将复合材料送入3D打印系统3中的打印头6内；
[0039] (4)树脂基纤维复合材料在打印头6的牵引下按模型切片进行截面铺设，铺设完成后对截面进行光固化，形成一个薄层截面；逐层叠加并固化，后清理处理，获得最终结构件7。
[0040] (5)将获得的结构件7再进行热固化，可进一步提高结构件7的力学性能。
[0041] 作为上述流程的进一步改进，所述步骤(4)中截面光固化与切面截面铺设同步进行，可显著提高成型效率。
[0042] 根据树脂材料的不同情况，光固化的光源8可为激光或波长为400-190nm的紫外光；另外，根据待成型结构件的情况，光固化的光源也可在点光源、线光源或面光源间选择。
[0043] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
