CN107584764A - 一种可控连续纤维复合材料三维打印喷头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控连续纤维复合材料三维打印喷头，包括与热塑性材料导管连接的喷头模块、纤维导丝模块和剪切模块，所述喷头模块包括：第一喷腔，一端连通所述热塑性材料导管；第二喷腔，与所述第一喷腔的另一端套接连通且两者之间通过第一弹性件连接限位，远离所述第一喷腔的一端设有第一喷口；所述纤维导丝模块包括：纤维导管，出丝口伸入所述第一喷腔且延伸至或靠近第二喷腔；顶推所述第二喷腔上升使所述出丝口靠近或者伸出所述第一喷口；本发明可以快速有效地实现连续纤维、热塑性材料可选可控打印，断丝过程无需终止打印过程，可方便实现复杂结构的连续纤维复合材料打印。

Description

一种可控连续纤维复合材料三维打印喷头

技术领域

本发明涉及连续纤维复合材料三维打印领域，特别涉及一种可控连续纤维复合材料三维打印喷头。

背景技术

连续纤维复合材料具有高强度、高刚度、低比重、高冲击韧性好、抗疲劳性好、耐高温老化、耐化学腐蚀、抗蠕变、耐磨擦磨损、可循环回收使用等优异特性，在汽车、航空航天、轨道交通等领域具有重要的应用前景。但传统连续纤维复合材料加工工艺依然面临着三个难以突破的问题：高昂的成本、严苛的技能要求和匹配的专业器械。

近年来新兴的三维打印技术有望解决上述难题，该技术可快速而精密地直接制造出任意复杂形状的零件，实现“自由制造”。和传统连续纤维复合材料成型与制备工艺相比，3D打印技术具有工艺简单、加工成本低、原材料利用率高、生产技术绿色环保、降低制件的制造成本等特点，同时实现复合材料制件的结构设计与制造一体化完成、无需再开模具制造、可反复数字化修模与打印制件验证，可加快开发周期、节约开发成本，可作为一种低成本快速成形制造的一种有效技术方案。有望解决许多过去连续纤维复合材料复杂结构零件的成形问题，并大大减少加工工序，缩短加工周期。

将3D打印技术应用于连续纤维复合材料结构成形在国内外已经成为一种快速发展的连续纤维复合材料制备的数字化、智能化、自动化的高科技新技术，已经为国内外很多研究机构和3D打印企业所重视。例如授权公告号为CN104097326B的专利文献公开了一种纤维增强复合材料多自由度3D打印机及其打印方法，采用6自由度工作平台实现三维自由空间的3D打印，可以实现材料以任意角度和任意运动轨迹进行沉积实现3D打印制造。再如授权公告号为CN104119339B的专利文献公开了一种连续长纤维增强复合材料3D打印机及其打印方法，利用3D打印技术，结合复合材料纤维铺放技术，实现了树脂基连续长纤维增强复合材料的3D打印。

纵观现有连续纤维复合材料三维打印技术，尚缺乏有效的连续纤维剪切手段，大多数采用外部剪切装置对连续纤维进行剪断，装置结构占据空间大，需要配合复杂的控制运动算法。因此，建立一种能够简单可控连续纤维复合材料三维打印喷头，对于解决连续纤维复合材料三维打印过程连续纤维剪切问题具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种可控连续纤维复合材料三维打印喷头，解决连续纤维在三维打印过程中的自动剪断问题，可实现连续无中断打印，具有结构紧凑，控制简单方便，易于更换等特点。

一种可控连续纤维复合材料三维打印喷头，包括与热塑性材料导管连接的喷头模块、纤维导丝模块和剪切模块，所述喷头模块包括：

第一喷腔，一端连通所述热塑性材料导管；

第二喷腔，与所述第一喷腔的另一端套接连通且两者之间通过第一弹性件连接限位，远离所述第一喷腔的一端设有第一喷口；

所述纤维导丝模块包括：

纤维导管，出丝口伸入所述第一喷腔且延伸至或靠近第二喷腔；

顶推所述第二喷腔上升使所述出丝口靠近或者伸出所述第一喷口。

本发明将纤维出丝的模块集成到打印喷头内部，从而可实现连续无中断打印，具有结构紧凑，控制简单方便，易于更换等特点。使用时，只要顶推所述第二喷腔上升使所述出丝口靠近或者伸出所述第一喷口，即可以通过纤维导管将纤维的端部粘到打印件上，待凝固后移动打印喷头即可实现连续纤维打印。

本发明适用于多种类型的连续纤维复合材料三维打印，例如碳纤维、玻璃纤维、劳伦纤维等连续纤维以及PLA、ABS等热塑性材料。本发明可实现连续纤维和热塑性材料可选可控打印，可同时打印连续纤维和热塑性材料复合结构，也可单独打印热塑性材料以及单独打印连续纤维，且能够自动剪断连续纤维而无需中断打印过程。

为实现热塑性材料的融化，所述第一喷腔上还设有加热装置和温度检测装置，优选的采用加热棒和温敏电阻；

为防止材料泄露，进一步优选的，所述第二喷腔和第一喷腔之间设有密封圈。

为了方便断丝和出丝，简化整体结构，优选的，所述喷头模块还包括：

第三喷腔，与所述第二喷腔的第一喷口端套接连通且两者之间通过第二弹性件连接限位，远离所述第二喷腔的一端设有与所述第一喷口相对的第二喷口；

所述剪切模块包括：

第一剪切刀架和第二剪切刀架，对称布置在所述第三喷腔的外壁和所述第二喷腔的内壁之间且与所述第二喷腔的内壁固定连接；

第一剪切刀片和第二剪切刀片，尾部分别与第一剪切刀架和第二剪切刀架铰接，刀身越过所述第三喷腔的顶部且刀头相互交叉形成位于所述出丝口下方的剪切副；顶推所述第三喷腔上升使所述第二喷口与所述第一喷口齐平且第三喷腔的顶部顶开第一剪切刀片和第二剪切刀片使剪切副打开；

第三弹性件和第四弹性件，分别安装在第一剪切刀片和第一剪切刀架以及第二剪切刀片和第二剪切刀架之间以保持刀头相互交叉。

具体的，第一喷腔的实体由固定导套构成，第二喷腔的实体由移动导套构成，第三喷腔的实体由移动导管构成；

上述结构中的剪切刀架、剪切刀片以及弹性件可以设计成一体式弹性结构或者分离式结构。

所述剪切刀片有多种固定方式，可以是螺栓连接或者焊接，为便于更换剪切刀片，进一步优选的采用螺栓连接；

所述第一剪切刀片和第二剪切刀片上下错开分布，即第一剪切刀片的上表面与第二剪切刀片的下表面相接处，构成剪切副，实现纤维的剪断。

为了使纤维的端部保持在出丝口处，优选的，所述纤维导丝模块还包括：

第一夹持件，固定在所述出丝口；

第二夹持件，固定在第一剪切刀片或第二剪切刀片上且与所述第一夹持件在所述剪刀副闭合时相互配合夹持纤维端部。

通过设置第一夹持件和第二夹持件不仅可以将纤维的端部保持在出丝口，而且也更利于剪刀副进行剪切纤维。

为了更好地夹持纤维，优选的，所述第一夹持件和第二夹持件为相互拼合形成圆环的半环形凸台。第一夹持件和第二夹持件的环形凸台配合形成中空圆柱，用于夹紧连续纤维，实现纤维的剪断。

为便于第一剪切刀片和第二剪切刀片的分离，进一步优选的，所述第一夹持件的环形凸台和第二夹持件的环形凸台为非对称结构，即第二夹持件的环形凸台横断面环形大于180度，而第一夹持件的环形凸台横断面环形小于180度，两者横断面共同构成360度环形。

为了使第三喷腔和第二喷腔在周向上定位，优选的，所述第三喷腔的外壁与所述第二喷腔内壁之间设有配合的导槽和导向筋；

所述第三喷腔的顶部设有对称布置的两个凹槽，所述第一剪切刀片和第二剪切刀片的刀身分别安装在对应的凹槽内。凹槽的设置可以引导剪切刀片翻转和恢复原状，保证设备的正常运行。

为了方便制造和安装，优选的，所述第三喷腔套接在所述第二喷腔内，所述第二弹性件为第二弹簧，设有至少沿周向分布的两个，第二弹簧的两端分别连接所述第三喷腔和第二喷腔。

为了方便制造和安装，优选的，所述第二喷腔套接在所述第一喷腔内，所述第一弹性件为第一弹簧，设有至少沿周向分布的两个，第一弹簧的两端分别连接所述第二喷腔和第一喷腔。

选择弹簧作为第一弹性件和第二弹性件，不仅方便安装，而且弹性系数容易控制，方便实现第二弹性件先形变后，再使第一弹性件压缩的技术效果。

剪切刀片可以做成各种形状，考虑连续纤维柔韧性，优选的，所述第一剪切刀片和第二剪切刀片为月牙形。

为了方便安装和维护，优选的，所述第三弹性件和第四弹性件为异形弹簧。

本发明的有益效果：

本发明的可控连续纤维复合材料三维打印喷头可以快速有效地实现连续纤维、热塑性材料可选可控打印，断丝过程无需终止打印过程，可方便实现复杂结构的连续纤维复合材料打印。

附图说明

图1是本发明的可控连续纤维复合材料三维打印喷头在不打印连续纤维状态时的剖面示意图。

图2本发明的可控连续纤维复合材料三维打印喷头在打印连续纤维状态时的剖面示意图。

图3是本发明的第二喷腔的立体结构示意图。

图4是本发明的第三喷腔的立体结构示意图。

图5是本发明的剪切模块的立体结构示意图。

图6是本发明的纤维导管的立体结构示意图。

图7是本发明的固定导套的立体结构示意图。

图8是本发明的移动导套的立体结构示意图。

图9是本发明的移动导管的立体结构示意图。

图10是图5中部分剪切模块的立体结构示意图。

图11是图5中另部分剪切模块的立体结构示意图。

图中各附图标记为：1.第一弹簧压片，2.第二连接螺母，3.固定导套，4.第二弹簧压片，5.移动导套，6.移动导管，7.第一断丝结构，8.第二断丝结构，9.第二弹簧，10.第一纤维导管，11.第一弹簧，12.第一连接螺母，13.热塑性材料导管，14.第二纤维导管，15.连续纤维，16.第一密封圈，17.第二密封圈，31.凹槽，32.螺纹，51.凸台，52.凹槽，53.凹槽，61.凸台，62.带凹槽凸台，71.第一剪切支架，72.可转动剪切刀片支架，73.月牙环形刀片，74.异形弹簧，75.螺栓，81.环形凸台，82.可转动剪切刀片支架，83.第二剪切支架，84.月牙环形刀片，85.异形弹簧，86.螺栓，101.螺纹，102.环形凸台。

具体实施方式

下面结合各附图，对本发明做详细描述：

如图1和2所示，本实施例的可控连续纤维复合材料三维打印喷头包括与热塑性材料导管13(挤出机)连接的喷头模块，用于连续纤维15的导向纤维导丝模块和剪切模块，喷头模块包括：第一喷腔，一端连通所述热塑性材料导管13；第二喷腔，与第一喷腔的另一端套接连通且两者之间通过第一弹性件连接限位，远离所述第一喷腔的一端设有第一喷口；纤维导丝模块包括：纤维导管，出丝口伸入所述第一喷腔且延伸至或靠近第二喷腔；顶推所述第二喷腔上升使出丝口靠近或者伸出第一喷口。

如图3所示，第二喷腔的结构包括第一弹簧压片1，第一弹簧11和移动导套5。

如图4所示，第三喷腔的结构包括第二弹簧压片4，第二弹簧9和移动导管6。

如图5所示，本实施例的剪切模块包括第一断丝结构7和第二断丝结构8；

纤维导管包括相互连接的第一纤维导管10和第二纤维导管14，如图6所示，第一纤维导管10包括螺纹101和环形凸台102。

如图7所示，形成第一喷腔的固定导套3包括凹槽31和螺纹32。

此外，固定导套3上还设有加热装置和温度检测装置，如加热棒和温敏电阻。

如图8所示，移动导套5包括均匀分布凸台51，对称分布凹槽52，对称分布凹槽53。

如图9所示，移动导管6包括周向凸台61，顶部带凹槽凸台62。

如图10所示，第一断丝结构7包括第一剪切支架71，可转动剪切刀片支架72，月牙环形刀片73(第一剪切刀片)，异形弹簧74和螺栓75。

如图11所示，第二断丝结构8包括环形凸台81，可转动剪切刀片支架82，第二剪切支架83，月牙环形刀片84(第二剪切刀片)，异形弹簧85和螺栓86。

本实施例的可控连续纤维三维打印喷头中的各模块具体装配如下：

(1)将图10中所示的第一剪切支架71，可转动剪切刀片支架72，月牙环形刀片73，异形弹簧74和螺栓75装配成如图5中所示第一断丝结构7；

(2)将图11中所示的环形凸台81，可转动剪切刀片支架82，第二剪切支架83，月牙环形刀片84，异形弹簧85，螺栓86装配成如图5中所示第二断丝结构8。

(3)将图10所示的第一断丝结构7通过第一剪切支架71安装在如图8所示移动导套5内部凹槽52底部；

(4)将图11所示第二断丝结构8通过第二剪切支架83安装在如图8所示移动导套5内部凹槽52底部，与第一断丝结构7形成如图5所示的剪切副；

(5)将图2中所示第二密封圈17，安装到移动导套5上，将图9所示移动导管6安装在图8所示移动导套5内部，移动导管6上的凸台61与移动导套5上的凹槽53滑动配合，移动导管6上的两个带凹槽凸台62分别与图5中第一断丝结构7上的可转动剪切刀片支架72和第二断丝结构8上的可转动剪切刀片支架82滑动接触，异形弹簧74和85确保可转动剪切刀片支架72和82始终紧贴带凹槽凸台62，至此完成剪切模块安装。

(6)将图4所示第二弹簧9安装在移动导管6上，通过第二弹簧压片4固定在图8所示的移动导套5上，至此完成第三喷腔和剪切模块的安装；

(7)将图2中所示的第一密封圈16，安装到固定导套3中，将步骤(6)中装配好的模块，安装到图7所示的固定导套3中，使移动导套5上的凸台51与固定导套3上的凹槽31滑动配合；

(8)将图3中所示第一弹簧11安装在移动导套5上，通过第二弹簧压片1固定在图7所示的固定导套3上，至此完成第三喷腔、剪切模块和第二喷腔的安装；

(9)将图6所示第一纤维导管10，通过图1所示第一连接螺母12与第二纤维导管14连接，至此完成第三喷腔、剪切模块、第二喷腔和纤维导丝模块的安装；

(10)将步骤(8)中安装好的模块，通过图1所示的固定导套3和第二连接螺母2与热塑性材料导管13固定连接；装配时确保第一纤维导管10下方的环形凸台102与第二断丝结构8上的环形凸台81的相对位置形成配合的第一夹持件和第二夹持件，确保图5所示剪切模块能够正常开闭，实现剪切断丝功能，至此整个喷头装配完毕。

本实施例的可控连续纤维三维打印喷头，具体工作过程如下：

(1)通过控制打印过程中喷头与平台(或已打印层)的距离实现材料选择以及连续纤维15的剪切。

(2)当只需打印热塑性材料时，喷头以设定的距离打印热塑性材料；

当需要打印连续纤维15时，缩小喷头与平台间的距离，此时剪切模块可转动剪切刀片支架72和82在移动导管6上带凹槽凸台62作用下旋转张开，随着移动导管6的进一步上移，当其下端与移动导套5下端平齐时，第二移动模块沿固定导套3上移，直至第一纤维导管10下端凸台102与平台(或已打印层)接触，此时即可实现连续纤维15的打印，通过控制热塑性材料的供给，可实现单独打印连续纤维15或者一同打印连续纤维15和热塑性材料复合材料；

(3)当连续纤维15打印完毕，通过增大喷头与平台(或已打印层)的距离，第二喷腔在第一弹簧11作用下下移，第三喷腔在第二弹簧9作用下下移，剪切模块中的可转动剪切刀片支架72和可转动剪切刀片支架82在异形弹簧74和异形弹簧85作用下下移至月牙环形刀片73和月牙环形刀片84逐步接触闭合，完成连续纤维15断裂。

重复(1)～(3)动作，即可实现连续纤维15和热塑性材料的可选可控打印，且连续纤维15剪切无需终止打印过程。

以上所述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 (9)

1.一种可控连续纤维复合材料三维打印喷头，包括与热塑性材料导管连接的喷头模块、纤维导丝模块和剪切模块，其特征在于，所述喷头模块包括：

第一喷腔，一端连通所述热塑性材料导管；

第二喷腔，与所述第一喷腔的另一端套接连通且两者之间通过第一弹性件连接限位，远离所述第一喷腔的一端设有第一喷口；

所述纤维导丝模块包括：

纤维导管，出丝口伸入所述第一喷腔且延伸至或靠近第二喷腔，顶推所述第二喷腔上升使所述出丝口靠近或者伸出所述第一喷口。

2.如权利要求1所述的可控连续纤维复合材料三维打印喷头，其特征在于，所述喷头模块还包括：

第三喷腔，与所述第二喷腔的第一喷口端套接连通且两者之间通过第二弹性件连接限位，远离所述第二喷腔的一端设有与所述第一喷口相对的第二喷口；

所述剪切模块包括：

第一剪切刀架和第二剪切刀架，对称布置在所述第三喷腔的外壁和所述第二喷腔的内壁之间且与所述第二喷腔的内壁固定连接；

第一剪切刀片和第二剪切刀片，尾部分别与第一剪切刀架和第二剪切刀架铰接，刀身越过所述第三喷腔的顶部且刀头相互交叉形成位于所述出丝口下方的剪切副；顶推所述第三喷腔上升使所述第二喷口与所述第一喷口齐平且第三喷腔的顶部顶开第一剪切刀片和第二剪切刀片使剪切副打开；

第三弹性件和第四弹性件，分别安装在第一剪切刀片和第一剪切刀架以及第二剪切刀片和第二剪切刀架之间以保持刀头相互交叉。

3.如权利要求2所述的可控连续纤维复合材料三维打印喷头，其特征在于，所述纤维导丝模块还包括：

第一夹持件，固定在所述出丝口；

第二夹持件，固定在第一剪切刀片或第二剪切刀片上且与所述第一夹持件在所述剪刀副闭合时相互配合夹持纤维端部。

4.如权利要求3所述的可控连续纤维复合材料三维打印喷头，其特征在于，所述第一夹持件和第二夹持件为相互拼合形成圆环的半环形凸台。

5.如权利要求2所述的可控连续纤维复合材料三维打印喷头，其特征在于，所述第三喷腔的外壁与所述第二喷腔内壁之间设有配合的导槽和导向筋；

所述第三喷腔的顶部设有对称布置的两个凹槽，所述第一剪切刀片和第二剪切刀片的刀身分别安装在对应的凹槽内。

6.如权利要求2所述的可控连续纤维复合材料三维打印喷头，其特征在于，所述第三喷腔套接在所述第二喷腔内，所述第二弹性件为第二弹簧，设有至少沿周向分布的两个，第二弹簧的两端分别连接所述第三喷腔和第二喷腔。

7.如权利要求1所述的可控连续纤维复合材料三维打印喷头，其特征在于，所述第二喷腔套接在所述第一喷腔内，所述第一弹性件为第一弹簧，设有至少沿周向分布的两个，第一弹簧的两端分别连接所述第二喷腔和第一喷腔。

8.如权利要求2所述的可控连续纤维复合材料三维打印喷头，其特征在于，所述第一剪切刀片和第二剪切刀片为月牙形。

9.如权利要求2所述的可控连续纤维复合材料三维打印喷头，其特征在于，所述第三弹性件和第四弹性件为异形弹簧。