CN106553341A - 基于超声增强的连续纤维增强复合材料3d打印的喷头 - Google Patents
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Abstract
本发明基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头，属于3D打印领域，包括打印喷头、内腔壁、纤维喉管、温度传感器、盖帽、加热棒、树脂喷头、树脂喉管、铁氟龙和超声波发生器，可以提高树脂与纤维的粘结效果，防止堵头，便于清理喷头。打印喷头可拆卸连接在纤维喉管下端，盖帽可拆卸连接在内腔壁的上端，盖帽上嵌套着加热棒和温度传感器，纤维喉管上端可拆卸连接在盖帽上，纤维喉管下端可拆卸连接在内腔壁下端；树脂喷头可拆卸连接在树脂喉管下端，树脂喉管可拆卸连接在盖帽上，树脂喉管的内部套有铁氟龙。纤维喉管上设有多个向下倾斜的斜孔，斜孔的轴线与纤维喉管的轴线的夹角小于90度。内腔壁、盖帽、树脂喷头、树脂喉管为金属材质。
Description
技术领域
本发明属于3D打印领域，更具体的说，涉及基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头。
背景技术
3D打印技术是制造业领域内正在快速发展的一项新兴技术，被称为“具有第三次工业革命重要标志意义的制造技术”，各主要发达国家将其列为战略发展的关键技术。目前，3D打印技术依托多个学科领域尖端技术，在航空航天技术、汽车家电制造生产、生物医药、食品加工等领域得到了一定应用。与传统制造技术相比，3D打印三维快速成型制造技术省略了产品模具的加工制造，从而在时间上极大的缩短了产品的研制周期，提高了生产率和降低生产成本。经济效益与前景方面有非常大的发展潜力，根据国际快速制造行业权威报告《WohlersReport 2011》发布的调查结果显示，全球3D打印产业产值在1988年到2010年之间以26.2％的年均速度增长。报告预测，3D打印产业未来仍将会保持着较快地增长速度，到2020年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到52亿美元。在2012年的国际新技术发展趋势调查中，3D打印制造技术居首位。目前，现有的增材制造技术还面临着诸多方面的瓶颈和探索，因此，需要进一步深入研究，扩大其应用领域。
利用3D打印技术打印出的纤维增强复合材料制品，不仅具备高强度、高刚度、质量轻等特点，而且可以控制纤维的分布方向，从而控制制品的性能。纤维增强复合材料的3D打印技术无论是在民用还是军事上都具有重大的意义。例如，利用碳纤维复合材料制作汽车零部件，提升汽车性能并降低油耗；碳纤维复合材料产品涵盖航天光学遥感器的各个部位，如相机镜筒、相机支架、遮光罩、桁架等。依靠打印材料的快速发展和增材制造技术的日益成熟，基于纤维增强复合材料的3D打印技术将会应用到各行各业，推动制造产业的快速发展。
但是目前的连续纤维增强复合材料3D打印技术研究较少，尚处于研发阶段，存在诸多问题。比如，树脂无法充分进入纤维丝带内部，无法将各个纤维丝通过树脂粘结在一起，从而在打印工件内部形成空洞，严重降低了工件的力学性能。此外，连续纤维增强复合材料3D打印容易堵头，从而导致纤维无法出丝或树脂从喷头内部往外溢出。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头，可以提高树脂与纤维的粘结效果，防止堵头，而且便于清理喷头。
为解决上述技术问题，本发明属于3D打印领域，更具体的说，涉及基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头，包括打印喷头、内腔壁、纤维喉管、温度传感器、盖帽、加热棒、树脂喷头、树脂喉管、铁氟龙和超声波发生器，可以提高树脂与纤维的粘结效果，防止堵头，而且便于清理喷头。
所述打印喷头可拆卸连接在纤维喉管下端，所述盖帽可拆卸连接在内腔壁的上端，所述盖帽上嵌套着加热棒和温度传感器，所述纤维喉管上端可拆卸连接在盖帽上，纤维喉管下端可拆卸连接在内腔壁下端；树脂喷头可拆卸连接在树脂喉管下端，树脂喉管可拆卸连接在盖帽上，树脂喉管的内部套有环状的铁氟龙。所述多个超声波发生器固定连接在内腔壁外壁或内壁上，围绕内腔壁的轴线均匀分布。
所述纤维喉管上设有多个贯穿的向下倾斜的斜孔，斜孔的轴线与纤维喉管的轴线的夹角小于90度。
所述内腔壁、盖帽、树脂喷头、树脂喉管均为金属材质。
作为本技术方案的进一步优化，本发明基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头所述的纤维喉管包括锥形段、竖直段和通孔，锥形段与竖直段相连，并且锥形段位于纤维喉管的上端，锥形段的尖端处设有通孔。
作为本技术方案的进一步优化，本发明基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头所述的纤维喉管上的斜孔设在竖直段上并且均位于内腔壁内。
作为本技术方案的进一步优化，本发明基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头所述的打印喷头通过螺纹连接方式连接在纤维喉管下端，所述盖帽通过螺纹连接方式连接在内腔壁的上端，所述纤维喉管上端通过螺纹连接方式连接在盖帽上，纤维喉管下端通过螺纹连接方式连接在内腔壁下端；树脂喷头通过螺纹连接方式连接在树脂喉管下端，树脂喉管通过螺纹连接方式连接在盖帽上。
作为本技术方案的进一步优化，本发明基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头所述的螺纹均为矩形螺纹或梯形螺纹。
作为本技术方案的进一步优化，本发明基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头所述的加热棒有偶数个，对称分布在盖帽上。
作为本技术方案的进一步优化，本发明基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头所述的树脂喷头、树脂喉管和铁氟龙均有多个。
作为本技术方案的进一步优化，本发明基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头所述的树脂喷头的上端顶着树脂喉管的下端。
作为本技术方案的进一步优化，本发明基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头所述的打印喷头、内腔壁、纤维喉管和盖帽的轴线均共线。
作为本技术方案的进一步优化，本发明基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头所述的超声波发生器为超声波换能器或压电陶瓷。
本发明基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头的有益效果为：
本发明基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头，能够增强熔融树脂与纤维的粘结效果，从而提高打印质量；此外，喷头结构通过可拆卸连接，在发生堵丝情况时，能够拆卸后快速清理。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头的结构示意图。
图2为本发明基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头的另一种结构示意图。
图3为图1的局部放大图。
图中：打印喷头1；内腔壁2；纤维喉管3；锥形段3-1；竖直段3-2；通孔3-3；温度传感器4；盖帽5；加热棒6；纤维束7；树脂8；树脂喷头9；树脂喉管10；铁氟龙11；超声波发生器12。
具体实施方式
具体实施方式一：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本发明属于3D打印领域，更具体的说，涉及基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头，包括打印喷头1、内腔壁2、纤维喉管3、温度传感器4、盖帽5、加热棒6、树脂喷头9、树脂喉管10和铁氟龙11，可以提高树脂与纤维的粘结效果，防止堵头，而且便于清理喷头。
所述打印喷头1可拆卸连接在纤维喉管3下端，所述盖帽5可拆卸连接在内腔壁2的上端，所述盖帽5上嵌套着加热棒6和温度传感器4，所述纤维喉管3上端可拆卸连接在盖帽5上，纤维喉管3下端可拆卸连接在内腔壁2下端；树脂喷头9可拆卸连接在树脂喉管10下端，树脂喉管10可拆卸连接在盖帽5上，树脂喉管10的内部套有环状的铁氟龙11；上述可拆卸连接方式可以是螺纹连接或者过盈配合或者其他可拆卸连接方式，使用可拆卸连接方式，主要用于在发生堵丝现象时可以快速拆卸，别于清理。此外，将喷头分成多个零件组合而成，也有利于零件的加工制造，有利于降低成本。盖帽5上嵌套着的加热棒6用于产生热量，从而加热盖帽5，盖帽5将热量传递给树脂喷头9和内腔壁2。变热后的树脂喷头9使得树脂8融化，并在挤丝机构的作用下挤入内腔壁2与盖帽5形成的树脂容腔内。变热后的内腔壁2会保持树脂容腔内的树脂保持熔融状态。
所述多个超声波发生器(12)固定连接在内腔壁(2)外壁或内壁上，围绕内腔壁(2)的轴线均匀分布。超声波发生器(12)可以通过胶水粘结或者焊接等方式固定连接在内腔壁(2)上。如果超声波发生器(12)固定连接在内腔壁(2)内壁上，则内腔壁(2)或者盖帽5上需设有穿导线的孔并进行密封处理。超声波发生器(12)可以产生超声波，从而带动熔融树脂8震动，使得树脂与纤维束7的粘结效果大大提升。
所述纤维喉管3上设有多个贯穿的向下倾斜的斜孔，斜孔的轴线与纤维喉管3的轴线的夹角小于90度。随着挤入树脂容腔内的树脂不断增多，在挤压作用下树脂容腔内的树脂会从纤维喉管3上的斜孔挤进纤维喉管3内，并在斜孔的导流作用下向下流动，从而包裹在纤维喉管3内的纤维束7的周围。该结构设计，增加了树脂包裹纤维束7的时间和流动的长度，有利于树脂与纤维束7充分粘结，从而提高树脂与纤维束7的粘结效果，最终提高打印质量。
此外，熔融树脂8和纤维束7会在纤维喉管3内充分浸润，熔融树脂8会包裹在纤维束7的四周并从打印喷头1挤出，有效防止纤维束7弯曲而造成堵丝。即使偶尔发生堵丝，也可以通过拆卸打印喷头1进行快速清理。
所述内腔壁2、盖帽5、树脂喷头9、树脂喉管10均为金属材质，可以是不锈钢、铜、铁、铝等金属，有利于热量传递。
具体实施方式二：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述纤维喉管3包括锥形段3-1、竖直段3-2和通孔3-3，锥形段3-1与竖直段3-2相连，并且锥形段3-1位于纤维喉管3的上端，锥形段3-1的尖端处设有通孔3-3。通孔3-3用于穿纤维束7，并设有密封垫圈，用于防止树脂溢出。此外，锥形段3-1与竖直段3-2共同形成了凹型腔体，从而改变了熔融树脂8的受力方向，引导熔融树脂8向下挤出，减小熔融树脂8从通孔3-3挤出的概率，有效降低了熔融树脂8溢出。
具体实施方式三：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述纤维喉管3上的斜孔设在竖直段3-2上并且均位于内腔壁2内。纤维喉管3上的斜孔均位于内腔壁2内，是为了防止树脂经过斜孔并从内腔壁2与纤维喉管3或纤维喉管3与盖帽5的连接初溢出。举例而言，如果斜孔正好位于盖帽5或内腔壁2与纤维喉管3连接的孔内，熔融树脂8便会在挤压作用下从斜孔挤出并从盖帽5或内腔壁2与纤维喉管3连接的孔内溢出。
具体实施方式四：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述打印喷头1通过螺纹连接方式连接在纤维喉管3下端，所述盖帽5通过螺纹连接方式连接在内腔壁2的上端，所述纤维喉管3上端通过螺纹连接方式连接在盖帽5上，纤维喉管3下端通过螺纹连接方式连接在内腔壁2下端；树脂喷头9通过螺纹连接方式连接在树脂喉管10下端，树脂喉管10通过螺纹连接方式连接在盖帽5上。螺纹连接便于快速拆卸，当发生堵丝现象时，可以快速拆卸清理。此外，螺纹连接还可以有效防止熔融的树脂溢出。
具体实施方式五：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述螺纹均为矩形螺纹或梯形螺纹。经过实验研究得知，当螺纹为矩形螺纹或梯形螺纹时，树脂溢出的可能性更小。
具体实施方式六：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述加热棒6有偶数个，对称分布在盖帽5上，从而使得树脂温度更加均匀，有利于提高树脂与纤维的粘结性能。
具体实施方式七：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述树脂喷头9、树脂喉管10和铁氟龙11均有多个，从而实现多股树脂同时或者不同时进丝。树脂的材料可以相同也可以不同。
具体实施方式八：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述树脂喷头9的上端顶着树脂喉管10的下端，从而防止熔融的树脂从缝隙中溢出。
具体实施方式九：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述打印喷头1、内腔壁2、纤维喉管3和盖帽5的轴线均共线，用于保证纤维束7始终位于正中心位置，从而提高树脂与纤维束7的粘结效果，从而提高打印质量。
具体实施方式十：
下面结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述超声波发生器12为超声波换能器或压电陶瓷，用于产生超声波，从而带动熔融树脂8震动，使得树脂与纤维束7的粘结效果大大提升。超声波换能器或压电陶瓷连接电源便能够产生超声波。
工作原理：在打印之前，先装入纤维束7和树脂8，加热加热棒6，热量会通过盖帽5以及各个金属零件传递给树脂喷头9，树脂喷头9融化树脂8，树脂8在挤丝机构的作用下会不断挤进内腔壁2与盖帽5形成的树脂容腔内，树脂容腔内的树脂吸收内腔壁2和盖帽5的热量保持熔融状态，并从从纤维喉管3上的斜孔挤进纤维喉管3内，并在斜孔的导流作用下向下流动，从而包裹在纤维喉管3内的纤维束7的周围，并带动纤维束7挤出，从而形成纤维增强复合材料一起粘结到工作台表面，在喷头移动的过程中，纤维束7就会不断被拉出，并且纤维束7的四周会包裹有熔融的树脂8，从而实现连续纤维增强复合材料3D打印，必要时可以剪断纤维束7。此外，超声波发生器12可以产生超声波，从而带动熔融树脂8震动，使得树脂与纤维束7的粘结效果大大提升。该打印头可以适用于目前现有的3D打印机结构，并且控制程序也可适用于现有的程序，仅需将纤维增强的复合材料看成是普通的树脂材料便可。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头，包括打印喷头(1)、内腔壁(2)、纤维喉管(3)、温度传感器(4)、盖帽(5)、加热棒(6)、树脂喷头(9)、树脂喉管(10)、铁氟龙(11)和超声波发生器(12)，其特征在于：所述打印喷头(1)可拆卸连接在纤维喉管(3)下端，所述盖帽(5)可拆卸连接在内腔壁(2)的上端，所述盖帽(5)上嵌套着加热棒(6)和温度传感器(4)，所述纤维喉管(3)上端可拆卸连接在盖帽(5)上，纤维喉管(3)下端可拆卸连接在内腔壁(2)下端；树脂喷头(9)可拆卸连接在树脂喉管(10)下端，树脂喉管(10)可拆卸连接在盖帽(5)上，树脂喉管(10)的内部套有环状的铁氟龙(11)；所述多个超声波发生器(12)固定连接在内腔壁(2)外壁或内壁上，围绕内腔壁(2)的轴线均匀分布；
所述纤维喉管(3)上设有多个贯穿的向下倾斜的斜孔，斜孔的轴线与纤维喉管(3)的轴线的夹角小于90度；
所述内腔壁(2)、盖帽(5)、树脂喷头(9)、树脂喉管(10)均为金属材质。
2.根据权利要求1所述的基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头，其特征在于：所述纤维喉管(3)包括锥形段(3-1)、竖直段(3-2)和通孔(3-3)，锥形段(3-1)与竖直段(3-2)相连，并且锥形段(3-1)位于纤维喉管(3)的上端，锥形段(3-1)的尖端处设有通孔(3-3)。
3.根据权利要求1所述的基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头，其特征在于：所述纤维喉管(3)上的斜孔设在竖直段(3-2)上并且均位于内腔壁(2)内。
4.根据权利要求1所述的基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头，其特征在于：所述打印喷头(1)通过螺纹连接方式连接在纤维喉管(3)下端，所述盖帽(5)通过螺纹连接方式连接在内腔壁(2)的上端，所述纤维喉管(3)上端通过螺纹连接方式连接在盖帽(5)上，纤维喉管(3)下端通过螺纹连接方式连接在内腔壁(2)下端；树脂喷头(9)通过螺纹连接方式连接在树脂喉管(10)下端，树脂喉管(10)通过螺纹连接方式连接在盖帽(5)上。
5.根据权利要求4所述的基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头，其特征在于：所述螺纹均为矩形螺纹或梯形螺纹。
6.根据权利要求1所述的基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头，其特征在于：所述加热棒(6)有偶数个，对称分布在盖帽(5)上。
7.根据权利要求1所述的基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头，其特征在于：所述树脂喷头(9)、树脂喉管(10)和铁氟龙(11)均有多个。
8.根据权利要求1所述的基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头，其特征在于：所述树脂喷头(9)的上端顶着树脂喉管(10)的下端。
9.根据权利要求1所述的基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头，其特征在于：所述打印喷头(1)、内腔壁(2)、纤维喉管(3)和盖帽(5)的轴线均共线。
10.根据权利要求1所述的基于超声增强的连续纤维增强复合材料3D打印的喷头，其特征在于：所述超声波发生器(12)为超声波换能器或压电陶瓷。
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