CN105773975A - 一种基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的方法，包括以下步骤：(1)采用三维打印进行打印结构制造，每制造一层后进行判断是否需要进行纤维丝的铺设，如果需要铺设纤维丝则进入步骤(2)，如果不需要则进入步骤(3)；(2)将预张紧的碳纤维丝铺设在最新一层的打印结构上；(3)进行三维打印下一层制造；本发明还公开了一种基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的装置；本发明的装置和方法可以快速有效地将预张紧纤维丝嵌入三维打印结构中，有效提高三维打印结构的强度以及实现打印结构具有自监测功能。

Description

一种基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的方法和装置
技术领域
本发明涉及碳纤维丝嵌入技术，特别涉及一种基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的方法和装置。
背景技术
碳纤维(CarbonFiber，简称CF)，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维具有许多优良的性能，如轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳、腐蚀性好，热膨胀系数小且具有各向异性及良好的导电导热性能等。碳纤维丝在拉应变下其电阻随应变呈正比例增加，在压应变下电阻随应变的增加而呈正比例减小，呈现出良好的导电性和压阻效应，具有良好的自感知特性。
例如公开号为CN103422587A的专利文献公开了一种碳纤维电阻传感层智能监测免维护屈曲约束支撑，包括耗能钢芯、GFRP约束段、波形节、成型泡沫、传感层电极和碳纤维智能传感层，所述GFRP约束段的两端设有波形节，GFRP约束段和波形节的内部中心设有耗能钢芯，GFRP约束段沿耗能钢芯对称布置，所述碳纤维智能传感层位于GFRP约束段内，碳纤维智能传感层平行设置在耗能钢芯的长边两侧，碳纤维智能传感层与耗能钢芯之间留有间隙，碳纤维智能传感层与传感层电极连接，碳纤维智能传感层与GFRP约束段连接形成整体结构的空隙内填充有成型泡沫。上述装置具有结构合理、自重轻、耐腐蚀、免维护、能智能监控的特点。
基于现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上发展起来的快速成形制造技术(RapidManufacturing，简称RM)可以无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计(CAD)数据，直接、快速、精确地制造出具有一定功能的新产品原型或直接制造零件。其基本原理是“分层制造，逐层叠加”，将一个实体的复杂的三维加工离散成一系列的层片，大大降低了加工难度，同时也为嵌入式加工制造创造了有利的条件。
三维打印技术作为快速成形制造技术的一种，其打印结构的强度一直是众多用户和科学研究者长期关注的问题。将碳纤维丝嵌入到打印结构中可有效解决该问题。图1为打印的PLA塑料结构中有无纤维丝的标准试样抗弯实验对比效果，可见通过嵌入纤维丝可有效提高打印结构抗弯强度，同样的抗拉强度也相应大幅提高。此外，碳纤维丝自感知功能可实现对打印的结构状态实时监测，从而实时了解打印结构的形变或破坏等情况。
但目前通过碳纤维丝增强打印结构的强度方式一般为打印材料使用碳纤维或者在完成打印后包覆碳纤维丝等方式，尚缺乏将碳纤维丝直接嵌入到三维打印结构的有效手段，因此，建立一种能够自动铺设碳纤维丝并可施加预紧力的装置对于提升三维打印结构品质具有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的方法，操作简单，可以有效增强打印结构的强度以及嵌入具有实时监测功能的碳纤维敏感元。
一种基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的方法，包括以下步骤：
(1)采用三维打印进行打印结构制造，每制造一层后进行判断是否需要进行纤维丝的铺设，如果需要铺设纤维丝则进入步骤(2)，如果不需要则进入步骤(3)；
(2)将预张紧的碳纤维丝铺设在最新一层的打印结构上；
(3)进行三维打印下一层制造。
本发明还提供了一种基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的装置，一种基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的装置，包括：
工作台；
储丝模块；
纤维丝预张紧模块，用于拉伸来自储丝模块的纤维丝；
升降和平移模块，安装在工作台上用于驱动纤维丝预张紧模块将预张紧的纤维丝运嵌入打印结构的任一叠加层上；
断丝模块，用于切断嵌入三维打印结构中的纤维丝的尾部。为了便于进行断丝，所述断丝模块包括断丝剪和伸缩缸；当拉伸纤维丝时，所述伸缩缸带动断丝剪缩回，避免干涉纤维丝；当铺丝结束时，所述伸缩缸带动断丝剪伸出至纤维丝并将其剪断。
本发明装置和方法是基于三维打印技术的，将已经施加预紧力的碳纤维嵌入打印结构中，解决碳纤维在三维打印制造过程中的自动铺设问题，同时可实现碳纤维丝预紧力大小可调，实现制造出的结构带有自监测功能。
拉伸纤维丝的方式很多，为了提高拉伸的稳定性，优选的，所述纤维丝预张紧模块包括：
平移轨道，安装在升降和平移模块上且带有驱动机构；驱动机构可以采用滚珠丝杆等平移结构，具有结构简单、运行稳定的优点，驱动机构还可以是驱动轮结构，直接安装在第一安装座和第二安装座上，通过电机带动驱动轮转动从而带动平移轨道上的第一安装座和第二安装座至少一个移动。
第一安装座，安装在平移轨道上；
转动动力源，安装在第一安装座上，动力输出端安装有所述的储丝模块，所述储丝模块为纤维丝卷；转动动力源一般采用驱动电机，固定在第一安装座上，其动力输出端与纤维丝卷支架转轴固定连接，用于控制纤维丝卷转动或锁紧；驱动电机旋转时带动纤维丝卷旋转实现送丝，当驱动电机停止转动时，纤维丝卷锁紧，暂停送丝，形成纤维丝一固定端。
第二安装座，与第一安装座间隔地安装在平移轨道上，所述第一安装座和第二安装座中至少一个通过驱动机构带动移动；
夹紧头，安装在第二安装座夹紧来自纤维丝卷的纤维丝前端，在转动动力源输出所需长度的纤维丝停转后，所述第二安装座与第一安装座相对运动拉伸纤维丝以使纤维丝预张紧。
为了便于测定预紧力的大小，优选的，所述夹紧头上设有力传感器，用于检测纤维丝所受拉力大小以控制第二安装座与第一安装座相对运动距离。
为了方便使用和制造，优选的，升降和平移模块包括：
两根立柱，间隔地固定在工作台上，至少一根立柱上设有升降机构，所述平移轨道安装在两根立柱通过升降机构实现上下移动；
第一水平移动机构，安装在第一安装座，动力输出端安装有所述的转动动力源；
第二水平移动机构，安装在第二安装座，动力输出端安装有所述的夹紧头。
为了方便控制移动机构的水平位移大小，优选的，第一水平移动机构和第二水平移动机构采用伸缩缸。
为了实现对纤维丝施加预紧力和预浸处理，优选的，所述装置还包括布置在储丝模块的出丝端用于对纤维丝进行预处理的预浸模块。
为了节约用料，优选的，所述预浸模块包括：
出胶机构，设有多个淋胶孔，与供胶装置连通；为了减轻预浸模块重量，所述预浸树脂胶由外部供胶装置供给，如采用气泵泵入的方式。
接胶盒，布置在纤维丝和出胶机构的下方。
优选的，所述出胶机构包括一对上下贴靠的滚筒，纤维丝通过两滚筒之间的缝隙；
其中上滚筒为空心结构，周壁上设有所述的淋胶孔，一端设有连接供胶装置的进胶口。滚筒结构出胶均匀且不易堵塞。
优选的，所述预浸模块还包括挤压来自所述对滚筒的纤维丝的一对压辊。该对压辊再次挤压纤维丝，除去多余胶，使涂胶更均匀。
为了更好地将纤维丝与三维打印结构结合更好，优选的步骤(2)中将预张紧的碳纤维丝铺设在最新一层的打印结构上的具体步骤如下：
2-1、将纤维丝拉直；
2-2、将步骤2-1的纤维丝覆盖在三维打印结构的最新一层结构上；
2-3、将步骤2-2中的纤维丝拉伸至所设的预紧力大小；
2-4、继续打印下一层结构。
相比与先拉伸至所设的预紧力大小后再嵌入三维打印结构的最新一层结构上，上述嵌入方式的效果更好。
本发明的有益效果：
本发明的装置和方法可以快速有效地将预张紧纤维丝嵌入三维打印结构中，有效提高三维打印结构的强度以及实现打印结构具有自监测功能。
附图说明
图1是打印的PLA塑料结构中有无纤维丝的标准试样抗弯实验对比效果示意图。
图2是本发明的基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的装置的立体结构示意图。
图3是本发明的储丝、预浸及断丝模块的立体结构示意图。
图4是本发明的平移轨道的立体结构示意图。
图5是本发明的夹紧头的立体结构示意图。
图6是本发明装置基于delta三维打印机使用时的整体结构示意图。
图中各附图标记为：1.工作台，2.立柱，3.固定座，4.伸缩缸，5.驱动电机，6.纤维丝预张紧模块，7.纤维丝，8.伸缩缸，9.立柱，10.滑块导轨，11.横梁，12.驱动电机，13.移动座，14.连接头，15.销孔，16.箱体，17.箱盖，18.座体，19.伸缩缸，20.驱动电机，21.滚筒支架，22.断丝剪，23.纤维丝卷，24.淋胶孔，25.上滚筒，251.下滚筒，252.上压辊，253.下压辊，26.接胶盒，27.凸台，28.进胶管，29.座体，30.平移轨道，31.驱动轮，32.支架，33.夹紧头，34.托板，35.打印头，36.打印机底盘。
具体实施方式
下面结合各附图，对本发明做详细描述：
本实施例配合delta三维打印机使用为例。
如图2所示，本实施例的基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的装置包括：
工作台1；
升降和平移模块，安装在工作台1上，包括间隔固定在工作台1上的立柱2和立柱9以及伸缩缸4和伸缩缸8；
横梁11，横梁11上设有平移轨道30，两端分别安装在立柱2上的驱动端和立柱9上的滑块导轨10上；
纤维丝预张紧模块6，包括安装在平移轨道30上的固定座3和移动座13，固定座3上安装有伸缩缸4，移动座13上安装有伸缩缸8；
断丝模块，用于切断嵌入三维打印结构中的纤维丝7的尾部。
如图3所示，纤维丝预张紧模块6还包括：
连接头14，与伸缩缸4的移动输出端通过销孔15固定连接；
箱体16，固定在连接头14上；
纤维丝卷支架，安装在箱体16上，用于安装纤维丝卷23；
驱动电机20，固定在箱体16一侧面上，其动力输出端与纤维丝卷支架转轴固定连接，用于控制纤维丝卷23转动或锁紧；驱动电机20旋转时带动纤维丝卷23旋转实现送丝，当驱动电机20停止转动时，纤维丝卷23锁紧，暂停送丝，形成纤维丝一固定端；
滚筒支架21，固定在箱体16前方；
上滚筒25和下滚筒251，安装在滚筒支架21上，纤维丝从两者的缝隙中通过，两滚筒同时滚动，其中靠近纤维丝卷23一侧的上滚筒25设有淋胶孔24，对纤维丝7进行预浸；
上压辊252和下压辊253，承接来自上滚筒25和下滚筒251的纤维丝，再次挤压纤维丝使纤维丝预浸均匀，除去多余的胶。
进胶管28，与设有淋胶孔24的上滚筒25连接，不断输送预浸树脂胶，预浸树脂胶由外部设备供给；
倒梯形凸台27，设置在箱体16前侧下方；
接胶盒26，安装在倒梯形凸台27上。
箱盖17，设置在箱体16上；
座体18，安装在箱盖17上；
伸缩缸19，安装在座体18上；
断丝夹22，安装在伸缩缸19末端。
如图4所示，实现预紧力的结构包括：
座体29，安装在平移轨道30上；
移动座13，与座体29固定连接；
驱动轮31，安装在移动座13上，横跨横梁11中部且与横梁11滚动接触；
驱动电机12，安装在移动座13上，动力输出轴与其中一对驱动轮31连接，提供动力源；
如图5所示，座体32固定在座体29上，伸缩缸8固定在座体32上，夹紧头33固定在伸缩缸8末端，且设有力传感器。
如图6所示，本实施例配合delta三维打印机整体结构示意图，在打印机旁设置本实施例装置即可实现自动铺设纤维丝及施加预紧力，工作过程如下：将托板34安装到打印机底盘36上，启动delta三维打印机开始打印所需要的结构，当打印至需要铺设纤维丝层时，夹紧头33夹住纤维丝一端，并在驱动电机12的作用下沿横梁11水平运动至设定目标点(根据要铺设的纤维丝长度设定)；伸缩缸4和伸缩缸8同时伸出，将纤维丝送至待铺设三维结构表面上方；驱动电机5驱动横梁11下降至纤维丝7接触待铺设三维结构表面；驱动电机12驱动伸缩缸8移动，待夹紧头33上力传感器检测到拉力与设定值相等时，驱动电机12停止移动，铺丝过程结束；打印头35继续打印，待纤维丝嵌入后，伸缩缸19驱动断丝剪22剪断纤维丝末端；伸缩缸4和8缩回；驱动电机12驱动伸缩缸8回到起始位置，等待下一次铺丝指令。
根据打印结构大小，铺丝过程可以不中断打印过程也可以在铺丝时中断打印，等铺丝完成时继续进行打印。例如在同时打印多个横梁结构件时，可在打印头打印其他结构件时完成铺丝过程，但当只打印一个尺寸较小的结构件时，只能中断打印，待铺丝完成后恢复打印过程或者在需要打印的结构旁边设置一个过渡打印结构，当铺丝时去打印该结构，从而实现铺丝而不至暂停打印过程。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用三维打印进行打印结构制造，每制造一层后进行判断是否需要进行纤维丝的铺设，如果需要铺设纤维丝则进入步骤(2)，如果不需要则进入步骤(3)；
(2)将预张紧的碳纤维丝铺设在最新一层的打印结构上；
(3)进行三维打印下一层制造。
2.一种基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的装置，其特征在于，包括：
工作台；
储丝模块；
纤维丝预张紧模块，用于拉伸来自储丝模块的纤维丝；
升降和平移模块，安装在工作台上用于驱动纤维丝预张紧模块将预张紧的纤维丝运嵌入打印结构的任一叠加层上；
断丝模块，用于切断嵌入三维打印结构中的纤维丝的尾部。
3.如权利要求2所述的基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的装置，其特征在于，所述纤维丝预张紧模块包括：
平移轨道，安装在升降和平移模块上且带有驱动机构；
第一安装座，安装在平移轨道上；
转动动力源，安装在第一安装座上，动力输出端安装有所述的储丝模块，所述储丝模块为纤维丝卷；
第二安装座，与第一安装座间隔地安装在平移轨道上，所述第一安装座和第二安装座中至少一个通过驱动机构带动移动；
夹紧头，安装在第二安装座夹紧来自纤维丝卷的纤维丝前端，在转动动力源输出所需长度的纤维丝停转后，所述第二安装座与第一安装座相对运动拉伸纤维丝以使纤维丝预张紧。
4.如权利要求3所述的基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的装置，其特征在于，所述夹紧头上设有力传感器，用于检测纤维丝所受拉力大小以控制第二安装座与第一安装座相对运动距离。
5.如权利要求3或4所述的基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的装置，其特征在于，升降和平移模块包括：
两根立柱，间隔地固定在工作台上，至少一根立柱上设有升降机构，所述平移轨道安装在两根立柱通过升降机构实现上下移动；
第一水平移动机构，安装在第一安装座，动力输出端安装有所述的转动动力源；
第二水平移动机构，安装在第二安装座，动力输出端安装有所述的夹紧头。
6.如权利要求5所述的基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的装置，其特征在于，第一水平移动机构和第二水平移动机构采用伸缩缸。
7.如权利要求2所述的基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的装置，其特征在于，所述装置还包括布置在储丝模块的出丝端用于对纤维丝进行预处理的预浸模块。
8.如权利要求7所述的基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的装置，其特征在于，所述预浸模块包括：
出胶机构，设有多个淋胶孔，与供胶装置连通；
接胶盒，布置在纤维丝和出胶机构的下方。
9.如权利要求8所述的基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的装置，其特征在于，所述出胶机构包括一对上下贴靠的滚筒，纤维丝通过两滚筒之间的缝隙；
其中上滚筒为空心结构，周壁上设有所述的淋胶孔，一端设有连接供胶装置的进胶口。
10.如权利要求9所述的基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的装置，其特征在于，所述预浸模块还包括挤压来自所述对滚筒的纤维丝的一对压辊。
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