CN106313496A - 连续纤维增强热塑性树脂基复合材料3d打印方法及打印头 - Google Patents

Abstract

一种连续纤维增强热塑性树脂基复合材料3D打印方法及打印头，该方法可将纤维束与熔融热塑性树脂旋转共混后旋转挤出，挤出线材呈螺旋状；该打印头可将纤维束与热塑性树脂共同通入熔融腔，熔融腔与挤出头内侧有螺旋齿环，两者按相反方向旋转。加热融化后的树脂与纤维共混后，受到双向旋转的螺旋齿环的搅拌，使得纤维由展平状密实地缠绕成螺旋柱状，且树脂沿各纤维取向上均匀分布，随后共混体由挤出口挤出至成型区域冷却固化形成空间实体。本发明可将展平的大丝束纤维作为3D打印工艺的增强体，紧密缠绕的纤维密实程度高，且纤维与基体浸润充分，成型后纤维与树脂分布均匀，因而本发明可大幅提高构件力学性能，改善成型质量。

Description

连续纤维增强热塑性树脂基复合材料3D打印方法及打印头

技术领域

本发明涉及一种复合材料成型技术，尤其是一种利用连接纤维增强的热塑性树脂复合材料技术成型技术，具体地是一种连续纤维增强热塑性树脂基复合材料的3D打印方法及打印头。

背景技术

快速成型（Rapid Prototyping）是一种综合应用了计算机辅助设计、高分子材料科学、数字化控制等前沿技术领域的新型制造工艺，其主要思想是由材料逐层或逐点堆积而制造出有一定结构的空间几何实体。该技术不同于传统的减材制造工艺(将毛坯的多余材料去除而得到目标实体)，而改进成为增材制造工艺，使制造过程中不再需要成型模具，缩短零件设计周期，可制造出任意复杂结构的三维实体，不受到工艺条件和工艺设备的限制，且该技术不会产生多余废料，材料利用率高。二十一世纪初出现的3D打印技术是一种典型的快速成型技术，该技术以金属、塑料、陶瓷等粉末作为基础耗材，基于数字模型文件利用熔融沉积、激光烧结、光刻固化等原位固化工艺，逐层铺叠成型出复杂结构的零件。该技术已被广泛的应用于航空航天、汽车、塑料制品、生物医疗等行业。

熔融沉积成型（FDM）技术凭借其较低的成本和较优异的可实现性，近年来取得了很大的市场占有率，特别是出现的小型化的桌面式FDM三维打印机，使得个体用户也可以自行设计并制造出复杂且具有一定使用功能的零件。但该工艺使用可加热融化的热塑性树脂耗材为成型材料，材料本身不具有连续性，层内分子团间距较大，且逐层铺叠的工艺特点也造成了较差的层间结合力，这些特点都导致零件脆性大，冲击强度低，易变形，承载性能差。虽然有学者或企业在零件的设计过程中采用结构拓扑优化的方式来优化力学性能，亦或是在热塑性基材中加入颗粒，短切纤维等增强体，终究不能根本上提高熔融沉积工艺所成型构件的力学性能。特别是针对航空航天领域内的复杂构件，轻量化和高强度的要求日益严苛，虽然熔融沉积等增材制造工艺可以大幅度的节省原材料，降低零件制造的难度，但其制品力学性能较差也是限制其在行业内发展的主要原因。

在基体材料中加入连续纤维增强相，形成二相或者及其以上的复合材料，可达到较高的比强度，比模量，且这种材料成型的零件有着较好的可设计性、韧性、耐冲击性能和耐疲劳性能。航空航天领域中，为了达到轻量化的设计要求，已经较大范围的采用了复合材料，但其成型过程往往受到模具外形的制约，难以成型出较为复杂外形结构。针对连续纤维增强的热塑性复合材料成型，有学者和企业开发了连续纤维增强的热塑性复合材料3D打印方法和设备。美国Mark Forged公司开发了Mark系列的连续纤维3D打印机[WO2014197732]，其打印过程中纤维与热塑性基体分离铺放，纤维-树脂界面、层间界面结合性能较差，虽然在沿纤维方向有较好的力学性能，但其余各方向上的综合性能不能达到较高标准；日本大学、东京工业大学等高校学者联合研制了一种连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印方法，其纤维树脂共混方法较为简易，纤维未与树脂充分共混即由挤出头直接挤出，由于挤出头尖端对共混体的挤压作用，成型后的轨迹中纤维均分布在树脂表面，且纤维体积含量较小。西安交通大学田小永等人研发了连续长纤维增强复合材料打印头[CN201410325650.3]和多级送丝打印头[CN201510633569.6]，前者的打印头设计方法较为独特，打印头内部设有中空螺杆，纤维由中空通道通入，螺杆带动熔融树脂下行后沿纤维周向将纤维裹覆，树脂在成型轨迹中有着较为均匀的分布，但其纤维内部丝束未与树脂混合，成型后在实体中形成干纤维空隙，影响构件的力学性能；所述的多级送丝打印头结构较为复杂，多种材料的混合使其成型构件具有较好的韧性，但其纤维束在每级熔融腔内与基体仅简单接触混合，由于熔融树脂的粘度较大，难以使其充分浸润各个方向的纤维束，同时，纤维在多级管道内运动时，由于摩擦，挤压力在管道内分布不均匀，造成纤维束的局部分叉，断裂而堵塞挤出管道，最终使纤维断裂而影响成型过程，其次，不同的高性能树脂具有不同的熔点，其中聚乳酸与聚醚醚酮的熔点差值近200℃，相邻腔体的传热作用也会影响基体材料的正常状态。国内外还有若干条关于连续纤维增强树脂基复合材料3D打印方法或设备相关报道，其原理与上述报道类似。

综上所述，现存的连续纤维增强树脂基复合材料的3D打印方法存在以下问题：

1）各类纤维在出厂时，其表面活性基团均只适应于与热固性树脂的浸润过程。在使用简单的措施将未处理的纤维与熔融热塑性树脂共混时，难以使纤维与树脂充分浸润，这导致构件的纤维-树脂界面较差。

2）大丝束纤维呈展平带状，现有3D打印方法难以使用大丝束纤维，且小丝束纤维在成型过程中成型速度慢，成型后的表面质量、纤维树脂体积分数、纤维树脂分布情况、层间结合力等性能指标难以控制。

3）现有的方法在打印过程中，由于纤维的局部分叉、断裂，容易造成纤维在腔体中堆积、堵塞，对成型过程造成影响，同时，成型轨迹中纤维呈松散、无规律的分布状态，使得构件的承载性能受到影响。

发明内容

本发明的目的是针对现有的热塑性树脂基复合材料3D打印成形时所使用的连接纤维尺寸较小，且不能对连接纤维实现有效浸渍而造成成型速度低、构件尺寸受限较大、成型件综合性能低的问题，发明一种适用于尺寸较大的纤维丝束，成型速度快，表面质量提高，同时纤维与热塑性基体间的界面结合性能好，构件纤维含量高，纤维密实度高，打印构件的力学性能提高的连续纤维增强热塑性树脂基复合材料的3D打印方法，同时提供一种相应的打印头。

本发明的技术方案之一是：

一种连续纤维增强热塑性树脂基复合材料旋转共混3D打印方法，其特征在于：经过预处理的纤维束与熔融状态的热塑性树脂可在旋转的熔融腔与挤出头中旋转、加热与共混，纤维受旋转力作用与树脂密实缠紧成螺旋束状并受已固化挤出材料的牵引力从挤出头中挤出。螺旋束状挤出材料可沿打印平台上方三维空间中的任意方向打印；挤出材料可在与打印平台平行的平面逐层堆积成型，也可与打印平台平行平面成一定角度的方向快速成型。螺旋束状挤出材料在与下一层材料熔融固化时，挤出头与打印平台间施加压力压实挤出材料，压力大小在1N至1000N之间。经过预处理的纤维束与热塑性树脂同时通入打印头，打印头分为三部分，分别是固定于打印头支架的三通送料腔，可绕中轴线旋转的熔融腔，以及同样可绕中轴线旋转的挤出头；其中熔融腔和挤出头按相反的方向旋转；若打印头内纤维与熔融树脂仅简单接触浸润，由于熔融树脂的粘度较大，流动性差，干燥纤维束很难与树脂充分浸润，这将导致构件的界面结合力较差；故熔融腔与挤出头内均设有螺旋齿环，纤维束和熔融热塑性树脂受到两级反向旋转的螺旋齿环搅拌，纤维束沿径向方向每一处均与树脂接触，且搅拌后混合均匀；展平的纤维经过第一级搅拌后开始沿中轴线缠紧，抑制了分叉和断裂，经过第二级反向旋转作用后，纤维的缠紧加剧，形成螺旋状的紧密圆柱束，且树脂被一定程度上挤出后，沿各纤维取向上均匀分布；此时的共混体纤维含量高，纤维分叉断裂得到抑制，且树脂浸润充分；由螺旋齿环带动下行的熔融树脂的产生的推动力以及已挤出树脂固化后的拖拽力，共混体被拖出挤出头至成型区域，在挤出头外围若干路高速冷却气流的作用下固化成纤维增强的复合材料实体。由数控系统搭载打印头按照预先设定好的轨迹运动，形成具有一定使用功能，较高力学性能的复合材料构件。

所述的熔融腔和挤出管的旋转速度根据材料的打印速度和纤维的丝束尺寸来确定；熔融腔的转速优选为0~60r/min,丝束直径越大，转速设定值越高，当纤维的丝束较小时可以使其停转；考虑材料密实缠紧程度，挤出头的反向转速优选0~80r/min，转速越高，纤维缠绕得越紧，但两级旋转腔体的正反转速之和不得大于100r/min，以防止纤维缠绕过紧而导致局部断裂。

所述的热塑性树脂可以是聚丙烯，聚乙烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲脂，聚甲醛，聚酰胺，聚碳酸酯，聚苯醚，聚砜，聚四氟乙烯，聚对苯二酸酯类，聚苯基硫醚，聚醚酰亚胺，聚醚酮，聚醚醚酮，聚醚酮酮等单一耗材,也可以是多种热塑性耗材的组合，耗材可以是颗粒或者线材；所述的连续纤维丝束可以是氧化铝，碳化硅，氮化硅等陶瓷纤维，也可以是聚对苯二甲酰对苯二胺，聚酰胺，聚丙烯腈，聚乙烯醇缩甲醛，聚丙烯，聚酯等聚合物纤维，也可以是碳纤维、石墨纤维，玻璃纤维，硼纤维，金属丝等单一纤维，也可以是上述多种连续纤维的组合。

由于纤维和基体的种类不同，纤维表面特性不适应与熔融基体浸润共混，导致构件的界面结合力较差，所以需要预先针对热塑性基体对纤维进行预处理，所述的纤维的预处理方法包括偶联剂处理，气相氧化处理，液相氧化处理，阳极电解氧环处理，表面涂覆处理，等离子处理，表面刻蚀处理等纤维表面处理方法，根据不同的纤维表面特性和热塑性基体，选择不同的处理方法。

本发明的技术方案之二是：

一种连续纤维增强热塑性树脂基复合材料成形用旋转共混3D打印头，其特征在于:它包括三通送料腔1、熔融腔20和挤出头24，该三通送料腔1通过固定耳26固定于上端支架上，三通送料腔1的两侧斜向设有热塑性耗材15送料管道和送料轮3，三通送料腔1的中心纵向设有纤维丝束13送料管道；三通送料腔1用中空滑环17和第一密封轴承5与熔融腔20连接，熔融腔20的外壁嵌套有管状加热套7，管状加热管的电极与中空滑环17的引脚电气连接；在三通送料腔1和熔融腔20外侧均安装有温度传感器，熔融腔20外侧的温度传感器的导线与中空滑环17的引脚电气连接；熔融腔20内壁设有用以搅拌共混体的螺旋状的第一齿环19，外壁顶端设有第一齿盘6，第一齿盘6与由第一电机16驱动的第一小齿轮18啮合从而驱动熔融腔20绕打印头中轴旋转；挤出头24与熔融腔20用第二密封轴承21连接，其外侧设有第二齿盘23，第二齿盘23与由第二电机9驱动的第二小齿轮23啮合从而驱动挤出头24绕打印头中轴旋转，挤出头24的旋转方向与熔融腔20的旋转方向相反；挤出头24内壁向下收缩，且设有螺旋状的第二齿环11；挤出头24尖端外侧设有若干固定于上端支架的高速冷却气流导管25以使从挤出头挤出的复合材料共混束28快速固化。

所述的三通送料腔和熔融腔上安装的温度传感器分别用于测量三通送料腔1上部和熔融腔20中部的温度；根据不同树脂基体的熔融温度T₀，控制加热套7升温过程使得熔融腔20中部的温度相较于T₀高5～20℃；同时使得送料腔1上部的温度相较于T₀低10℃以上。

所述的三通送料腔1、熔融腔20、挤出头24采用高导热材料制成，侧面送料通道和中心纵向通道中均设有聚四氟乙烯或陶瓷低导热材料制成的衬套管,其中中心纵向送料管道中的套管能根据连续纤维束的尺寸更换。

所述的中空滑环17外壳采用耐高温绝缘材料制成，内部接触电路也具有耐高温性能。

所述的第一密封轴承5和第二密封轴承21均由高导热材料制成。

所述的第一小齿6和第二小齿轮23均由低导热材料制成。

本发明的有益效果：

本发明采用两级旋转腔体对纤维和树脂的共混体进行搅拌和缠绕，适用于较大尺寸的纤维丝束，优化了打印头对纤维原有状态的适应性，在相同的打印速度下，提高了打印效率，改善了构件的表面质量；搅拌共混的作用下，纤维与树脂间的浸润充分，共混体中的纤维呈紧密螺旋缠绕状，提高了增强体的承载能力，树脂在纤维中各处分布均匀，改善了构件的层间和界面结合性能，提高了打印构件的力学性能；挤出头的旋转作用可使共混体在挤出后，纤维与树脂的分布均匀，纤维体积含量高。综上，本发明可实现较高力学性能连续纤维增强热塑性基体复合材料构件的3D打印，且成型效率高，表面质量好，可适用于对性能要求较高的航空航天复杂构件的成型过程。

附图说明

图1是本发明旋转共混打印头的整体等轴测视图。

图2是本发明旋转共混打印头的整体剖面详细视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1-2所示。

一种连续纤维增强热塑性树脂基复合材料的3D打印方法，首先，对连接纤维束进行预处理以增强连接纤维束与树脂基体的结合力，其次，将经过预处理的连续纤维束与热塑性树脂同时通入旋转共混3D打印头的熔融腔中；第三，使熔融腔绕其中轴旋转，挤出头连接于熔融腔也能绕中轴旋转，控制挤出头的旋转方向与熔融腔的放置方向相反；第四，在熔融腔与挤出头内侧均设置搅拌齿环，纤维束和熔融热塑性树脂受到两级反向旋转的螺旋齿环搅拌作用下均匀共混，且共混体以螺旋状密实缠紧成圆柱丝束，树脂沿各纤维取向均匀分布；最后，挤出头挤出材料至成型区域并固化成纤维增强树脂基复合材料构件。所述的熔融腔和挤出管的转速根据材料的打印速度和纤维的丝束尺寸来确定；熔融腔的转速优选为0～60r/min,当纤维的丝束较小时可以使其停转；考虑材料密实缠紧程度，挤出头的优选反向转速0～80r/min；，挤出头和熔融腔的转速的绝对值之和最好应控制在10～100转/分之间，所述转速的设置不会使得纤维断裂。所述的热塑性树脂可为聚丙烯，聚乙烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲脂，聚甲醛，聚酰胺，聚碳酸酯，聚苯醚，聚砜，聚四氟乙烯，聚对苯二酸酯类，聚苯基硫醚，聚醚酰亚胺，聚醚酮，聚醚醚酮，聚醚酮酮中的一种或二种以上的组合，它们呈颗粒或者线材状；所述的连续纤维束为陶瓷纤维、聚合物纤维或单一纤维中的一种或几种的组件，所述的陶瓷纤维为氧化铝，碳化硅，或氮化硅；所述的聚合物纤维为聚对苯二甲酰对苯二胺，聚酰胺，聚丙烯腈，聚乙烯醇缩甲醛，聚丙烯或聚酯，所述的单一纤维为碳纤维、石墨纤维，玻璃纤维，硼纤维或金属丝。所述的连续纤维束的预处理方法包括偶联剂处理，气相氧化处理，液相氧化处理，阳极电解氧环处理，表面涂覆处理，等离子处理，表面刻蚀处理等纤维表面处理方法，根据不同的纤维表面特性和热塑性基体，选择不同的处理方法；处理的目的在于增强纤维与树脂基体的结合力。

详述如下：

首先，将经过预处理的连接纤维束与热塑性树脂同时通入打印头，打印头分为三部分，分别是固定于打印头支架的三通送料腔，可绕中轴线旋转的熔融腔，以及同样可绕中轴线旋转的挤出头；其中熔融腔和挤出头按相反的方向旋转；若打印头内纤维与熔融树脂仅简单接触浸润，由于熔融树脂的粘度较大，流动性差，干燥纤维束很难与树脂充分浸润，这将导致构件的界面结合力较差；故熔融腔与挤出头内均设有螺旋齿环，纤维束和熔融热塑性树脂受到两级反向旋转的螺旋齿环搅拌，纤维束沿径向方向每一处均与树脂接触，且搅拌后混合均匀；展平的纤维经过第一级搅拌后开始沿中轴线缠紧，抑制了分叉和断裂，经过第二级反向旋转作用后，纤维的缠紧加剧，形成螺旋状的紧密圆柱束，且树脂被一定程度上挤出后，沿各纤维取向上均匀分布；此时的共混体纤维含量高，纤维分叉断裂得到抑制，且树脂浸润充分；由螺旋齿环带动下行的熔融树脂的产生的推动力以及已挤出树脂固化后的拖拽力，共混体被拖出挤出头至成型区域，在挤出头外围若干路高速冷却气流的作用下固化成纤维增强的复合材料实体。由数控系统搭载打印头按照预先设定好的轨迹运动，形成具有一定使用功能，较高力学性能的复合材料构件。

参考图1，连续纤维增强热塑性树脂基复合材料旋转共混3D打印方法由可绕自身中轴线旋转的打印头实现，纤维与树脂通入打印头，打印头局部升温融化热塑性树脂，纤维与树脂在两级带有螺旋齿排的旋转腔内受到搅拌后不断均匀共混，缠紧，随后由挤出头尖端挤出至成型区域，进过冷却后形成实体。

参照图1，旋转共混3D打印头由固定不动的送料腔1和两级由电机9,16驱动，按相反方向旋转的熔融腔20和挤出头24组成，熔融腔24的转速优选为0~60r/min,丝束直径越大，转速设定值越高，当纤维13的丝束较小时可以使其停转；考虑材料密实缠紧程度，挤出头24的反向转速优选0~80r/min，转速越高，纤维13缠绕得越紧，但两级旋转腔体的正反转速之和不得大于100r/min，以防止纤维13缠绕过紧而导致局部断裂。

参照图2，熔融腔20和挤出头24内分别带有螺旋齿环19,11，齿排在对纤维13树脂15共混体搅拌的同时，将其向下推动，促使共混体下行。

参照图2，送料腔1设有三路通道，沿垂直方向上通道为纤维送料通道，不同丝束尺寸的纤维束可更换不同规格的衬套2，纤维13竖直通入熔融腔，不发生弯折，摩擦等或至纤维分叉断裂的现象；送料腔1端设有热塑性耗材的送料通道，且均配有衬套4，该衬套可保证树脂在送料通路上降温迅速，保持送料连续性，通道外设有沿中轴线对称的两对辊轮3，由电机驱动热塑性树脂15进入打印头，辊轮3的送料转速根据打印速度确定；送料腔高于树脂基体送料口上部设有温度传感器14，监测送料腔1上部的温度，防止其温度过高，使树脂从上端溢出。

参考图2，送料腔1与熔融腔20间设有中空的滑环17和轴承5，滑环17中设有多个触点，下端连接加热套7的正负电极，温度传感器8信号电极，电极27通过滑环17，通向固定的送料腔1后，连接上部打印机电路；轴承5内圈具有密封作用，防止熔融树脂从腔体中溢出，轴承5用固定挡圈固定与两级腔体之间，同时也起到连接两级腔体的作用。

参考图1，熔融腔顶部外缘设有突起的齿环6，固定于上部支架的电机16驱动一直径较小的齿轮18转动，齿轮18与齿环6相互啮合，带动熔融腔20整体相对于送料腔1旋转。

参考图2，熔融腔20内部设有向螺旋驱动的搅拌齿环19，齿规格根据所成型的材料规格确定范围，一般以齿尖端接触到连续纤维外层纤维为宜；螺旋齿的断面形式可以是三角形，矩形，梯形，锯齿形，半圆形；螺旋齿环的主要作用为搅拌纤维和熔融树脂共混，其齿的横截面积较大，螺旋角较小，螺距的设置以驱动下行速度小于送料速度为宜。

参考图2，挤出头24外轮廓呈圆锥状，且也适用轴承21与熔融腔20连接，挤出头24可相对于熔融腔20独立旋转，且设定的旋转方向通常与熔融腔20相较于固定端的旋转方向相反；

参考图1，挤出头顶部外缘设有突起的齿环23，固定于上部支架的电机9驱动一直径较小的齿轮10转动，齿轮10与齿环23相互啮合，带动挤出头24整体相对于熔融腔20旋转；

参考图2，挤出头24内部设有突起锯齿状齿环11，齿环11呈沿挤出方向突起状，其突起高度以紧密接触纤维为宜；齿环11的主要作用是在旋转的过程中可紧密压实纤维13使纤维由较松散的状态变为紧密缠绕的状态，同时齿环11进一步搅拌树脂纤维的共混体，使熔融树脂与纤维进一步充分浸润；齿环11与纤维13接触的尖端为圆弧过渡，防止纤维在旋转的过程中被切断；

参考图1，挤出头24外围设有若干固定于打印头上部支架的高速冷却气流导管25，其气流直接通向挤出的纤维树脂共混体，使其迅速冷却；高速冷却气流的冷却气体由打印机外围的附属气泵产生。

实施例二。

如图1-2所示。

一种连续纤维增强热塑性树脂基复合材料成形用旋转共混3D打印头，它包括三通送料腔1、熔融腔20和挤出头24，该三通送料腔1固定于上端支架上，三通送料腔1的两侧斜向设有热塑性耗材15送料管道和送料轮3，三通送料腔1的中心纵向设有纤维丝束13送料管道；三通送料腔1用中空滑环17和第一密封轴承5与熔融腔20连接，熔融腔20的外壁嵌套有管状加热套7，管状加热管的电极与中空滑环17的引脚电气连接；在三通送料腔1和熔融腔20外侧均安装有温度传感器14、8，熔融腔20外侧的温度传感器的导线与中空滑环17的引脚电气连接；熔融腔20内壁设有用以搅拌共混体的螺旋状的第一齿环19，外壁顶端设有第一齿盘6，第一齿盘6与由第一电机16驱动的第一小齿轮18啮合从而驱动熔融腔20绕打印头中轴旋转；挤出头24与熔融腔20用第二密封轴承21连接，其外侧设有第二齿盘23，第二齿盘23与由第二电机9驱动的第二小齿轮23啮合从而驱动挤出头24绕打印头中轴旋转，挤出头24的旋转方向与熔融腔20的旋转方向相反；挤出头24内壁向下收缩，且设有螺旋状的第二齿环11；挤出头24尖端外侧设有若干固定于上端支架的高速冷却气流导管25以使从挤出头挤出的复合材料共混束28快速固化。三通送料腔和熔融腔上安装的温度传感器14、8分别用于测量三通送料腔1上部和熔融腔20中部的温度；根据不同树脂基体的熔融温度T₀，控制加热套7升温过程使得熔融腔20中部的温度相较于T₀高5～20℃；同时使得送料腔1上部的温度相较于T₀低10℃以上。具体实施时，三通送料腔1、熔融腔20、挤出头24应采用高导热材料制成，侧面送料通道和中心纵向通道中均设有聚四氟乙烯或陶瓷低导热材料制成的衬套管4、2,其中中心纵向送料管道中的套管2能根据连续纤维束的尺寸更换。中空滑环17的外壳应采用耐高温绝缘材料制成，内部接触电路也具有耐高温性能。第一密封轴承5和第二密封轴承21最好均由高导热材料制成，第一小齿6和第二小齿轮23均由低导热材料制成。

本发明的打印头的使用方法为：

1)将打印头安装在具有三自由度及其以上自由度控制维度的数控设备主轴头上，调整好包括各冷却风扇，冷却气流导管25等部件的相对位置。

2)根据所使用的连续纤维束、热塑性耗材的尺寸选择并安装三通套管1中各送料通道的冷却衬套4、2；依次送入连续纤维束13及两侧热塑性基体耗材15至打印头中，确保固态耗材与干纤维间接触但无相互作用力；根据耗材熔融特性设置加热温度值，使加热套筒开始升温加热；冷却风扇启动对各部分降温；

3)待温度达到预设温度后，树脂基体融化成粘流态，启动旋转熔融腔20的驱动电机使熔融腔20开始旋转，内部熔融树脂受到螺旋齿环19的搅拌作用开始循环运动，同时带动展平丝束沿中轴螺旋缠绕。

4)输入3D打印零件几何体的数控代码后，启动旋转挤出管的驱动电机使挤出管开始相对于熔融腔20反向旋转，内部已初步共混的纤维树脂混合物受到挤压后成为密实浸润的螺旋状丝束，并由挤出口挤出至成型面板；启动冷却气流，冷却气流正对挤出材料喷出，使得材料迅速冷却固化成实体轨迹。

5)控制系统按照特定的适用于连续纤维快速成型的轨迹驱动打印头，最终可在成型面板上成型出具有较高力学性能的连续纤维增强复合材料。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种连续纤维增强热塑性树脂基复合材料旋转共混3D打印方法，其特征在于：经过预处理的纤维束与熔融状态的热塑性树脂在旋转的熔融腔与挤出头中旋转、加热与共混，纤维受旋转力作用与树脂密实缠紧成螺旋束状并受已固化挤出材料的牵引力从挤出头中挤出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于: 螺旋束状挤出材料可沿打印平台上方三维空间中的任意方向打印；挤出材料可在与打印平台平行的平面逐层堆积成型，也可与打印平台平行平面成一定角度的方向快速成型。

3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于: 螺旋束状挤出材料在与下一层材料熔融固化时，挤出头与打印平台间施加压力压实挤出材料，压力大小在1N至1000N之间。

4.根据权利要求1中所述的方法,其特征在于:所述的热塑性树脂是聚丙烯，聚乙烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲脂，聚甲醛，聚酰胺，聚碳酸酯，聚苯醚，聚砜，聚四氟乙烯，聚对苯二酸酯类，聚苯基硫醚，聚醚酰亚胺，聚醚酮，聚醚醚酮，聚醚酮酮中的任一或多种的组合，热塑性树脂呈颗粒状或者线材状；所述的连续纤维丝束可以是氧化铝，碳化硅，氮化硅等陶瓷纤维，也可以是聚对苯二甲酰对苯二胺，聚酰胺，聚丙烯腈，聚乙烯醇缩甲醛，聚丙烯，聚酯等聚合物纤维，还可以是碳纤维、石墨纤维，玻璃纤维，硼纤维，金属丝之类的单一纤维或多种连续纤维的组合。

5.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于：所述的纤维的预处理方法包括偶联剂处理，气相氧化处理，液相氧化处理，阳极电解氧环处理，表面涂覆处理，等离子处理，表面刻蚀处理等纤维表面处理方法，根据不同的纤维表面特性和热塑性基体，选择不同的处理方法；处理的目的在于增强纤维与树脂基体的结合力。

6.一种连续纤维增强热塑性树脂基复合材料旋转共混3D打印头，其特征在于: 挤出头连接于熔融腔也可绕中轴旋转，且旋转方向与熔融腔相反；熔融腔与挤出头内侧均有搅拌齿环，纤维束和熔融热塑性树脂受到两级反向旋转的螺旋齿环搅拌作用下均匀共混，且共混体以螺旋状密实缠紧成圆柱丝束，树脂沿纤维取向均匀分布；挤出头挤出材料至成型区域并固化成纤维增强树脂基复合材料。

7.根据权利要求6所述的打印头，其特征在于: 三通送料腔(1)固定于上端支架，其两侧斜向设有热塑性耗材(15)送料管道和送料轮(3)，纵向设有纤维丝束(13)送料管道；三通送料腔(1)用中空滑环(17)和密封轴承(5)与熔融腔(20)连接，特制的管状加热套(7)嵌套于熔融腔(20)外壁，其电极与中空滑环(17)的引脚相连；送料腔(1)和熔融腔(20)外侧均安装有温度传感器(14,8)，熔融腔外侧的温度传感器的导线与滑环(17)引脚连接；熔融腔(20)内壁设有用以搅拌共混体的螺旋状的齿环(19)，外壁顶端设有齿盘(6)，可由电机(16)驱动绕打印头中轴旋转；挤出头(24)与熔融腔(20)用密封轴承(21)连接，其外侧设有齿盘(23)，可由另一电机(9)驱动绕打印头中轴旋转，方向与熔融腔(20)旋转方向相反；挤出头(24)内壁向下收缩，且设有螺旋状的齿环(11)；挤出头(24)尖端外侧有若干高速冷却气流导管(25)固定于上端支架。

8.根据权利要求6所述的打印头，其特征在于:所述的熔融腔和挤出管的转速根据材料的打印速度和纤维的丝束尺寸来确定；熔融腔的转速优选为0~60r/min,当纤维的丝束较小时可以使其停转；考虑材料密实缠紧程度，挤出头的反向转速优选0~80r/min；上述转速设置不会使得纤维断裂。

9.根据权利要求6中所述的打印头，所述的温度传感器(14)和温度传感器(8)分别测量三通送料腔(1)上部和熔融腔(20)中部的温度；根据不同树脂基体的熔融温度T0，控制加热套(7)升温过程使得熔融腔(20)中部的温度相较于T0高5~20℃；同时使得送料腔(1)上部的温度相较于T0低10℃以上。

10.根据权利要求6中所述的打印头，其特征在于所述的三通送料腔、熔融腔、挤出头采用高导热材料制成，送料通道中均设有聚四氟乙烯或陶瓷等低导热材料制成的衬套管,其中纤维送料管道中的套管可根据纤维丝束的尺寸更换；滑环外壳采用耐高温绝缘材料制成，内部接触电路也具有耐高温性能；轴承和轴承均为高导热材料制成；电机和电机驱动的转动齿轮为低导热材料制成。