CN107672175B - 一种用于连续纤维3d打印中提高纤维弹性伸长量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的装置及方法，装置包括3D打印头，还包括原纤维供应模块、纤维加螺旋模块和纤维收集与供给模块；所述纤维加螺旋模块包括：纤维夹紧头，用于供来自原纤维供应模块的待加螺旋纤维沿轴向通过并夹持待加螺旋纤维限制待加螺旋纤维绕转向转动；加螺旋驱动机构，用于驱动所述纤维夹紧头绕纤维轴向转动；一对压紧辊轴，两个压紧辊轴之间供已加螺旋纤维通过且压紧纤维以限制纤维绕轴线转动。本发明解决了部分连续纤维弹性伸长量不足的问题，同时可调节纤维加螺旋的程度，并具有同步和异步加螺旋两种工作模式。利用本发明方法和装置可以拓宽碳纤维、碳纳米管纤维等柔性纤维在柔性智能结构中的应用。

Description

一种用于连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的装置和 方法

技术领域

本发明涉及连续纤维3D打印技术领域，具体涉及一种提高3D打印连续纤维弹性伸长量的装置和方法。

背景技术

3D打印技术常用增材制造的方式，一般是将液态、熔融态或颗粒状态的材料，通过层层堆积、层层固化的方式加工成型，而近年出现了连续纤维3D打印技术，包括将碳纤维、碳纳米管纤维等高熔点连续纤维，利用3D打印的方式将其打印在结构体内部或表面，其作用主要包括两个方面，其一是用于增强结构体强度，碳纤维等高模量纤维铺设在结构体内部或表面时，可以显著增强结构体强度，其二是作为感知材料，碳纤维、碳纳米管纤维等导电纤维，发生形变时电阻等电学参数会发生相应的变化，可感知结构体的应力、应变等参数。

3D打印柔性智能结构，是利用3D打印技术打印出柔性材料或结构，其具有较大的弹性变形量，并在结构中布置碳纤维、碳纳米管纤维等感知材料，感知结构体的应力、应变等参数，可用于柔性传感器、柔性可穿戴设备等多个领域。

而包括碳纤维、碳纳米管纤维等在内的感知纤维材料，轴向弹性伸长量较小，难以承受大轴向变形，布置在柔性材料或柔性结构中发生较大变形时，会发生塑性变形或直接断裂而失效。

发明内容

本发明提供一种基于3D打印技术的连续纤维弹性增强方法和装置，通过加螺旋的方法提高连续纤维的弹性伸长量，并设计了一个自动加螺旋的装置，解决了部分连续纤维弹性伸长量不足的问题，同时可以调节纤维加螺旋的程度，并具有同步和异步加螺旋两种工作模式。利用本发明方法和装置可以拓宽碳纤维、碳纳米管纤维等柔性纤维在柔性智能结构中的应用。

一种用于连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的装置，包括原纤维供应模块、纤维加螺旋模块和纤维收集与供给模块，所述纤维收集与供给模块收集来自纤维加螺旋模块的加螺旋纤维并输送至3D打印头中；

所述纤维加螺旋模块包括：

纤维夹紧头，用于供来自原纤维供应模块的待加螺旋纤维沿轴向通过并夹持待加螺旋纤维限制待加螺旋纤维绕轴向转动；

加螺旋驱动机构，用于驱动所述纤维夹紧头绕纤维轴向转动；

一对压紧辊轴，两个压紧辊轴之间供已加螺旋纤维通过且压紧纤维以限制纤维绕轴线转动。

原纤维供应模块，用于供应需要提高弹性伸长量的原纤维；纤维加螺旋模块，用于在原纤维上加上螺旋，来提高其弹性伸长量；纤维收集与供给模块，用于和加螺旋模块配合，在加螺旋的同时收集加上螺旋的纤维或将加螺旋的纤维直接供应给3D打印头；3D打印头，常用的连续纤维3D打印头，一般包括多个进料口，用于将加好螺旋的纤维打印在结构体内部或表面上。

加螺旋驱动电机，用于带动待加螺旋的纤维段绕轴向转动；纤维夹持头，安装在驱动电机主轴上，用于夹持待加螺旋的纤维。

优选地，所述纤维夹紧头包括一体成型的：

连接部，与所述加螺旋驱动机构的主轴相连；

纤维夹持部，包括两块夹板、位于两块夹板之间的弹性体以及连接两块夹板的夹紧螺栓，弹性体带有供待加螺栓纤维从弹性体中通过的轴孔。

纤维夹持头安装在驱动电机主轴上，随主轴带动纤维一起绕轴向转动，另外，夹紧头上安装有弹性体如橡胶材料和夹紧螺栓，弹性体上开了具有轴向纹理的孔用于纤维穿过，同时使纤维难于绕轴线转动而易于沿轴向窜动，夹紧螺栓用于调节对弹性体的压紧力，通过调节压紧力的大小保证在其在电机驱动下转动时可带动纤维一起转动，另外压紧力不易过大，保证纤维在弹性体中可沿轴向运动，使纤维可以连续的进入加螺旋区域；

所述的原纤维供应模块，安装在加螺旋电机的主轴上，随电机主轴一起转动，保证原纤维在进入加螺旋阶段前保持不变；优选地，

所述原纤维供应模块包括：

与所述纤维夹紧头同轴转动的中空原纤维架；

安装在中空原纤维架上可自由转动的原纤维卷筒，原纤维缠绕在该原纤维卷筒上。

原纤维卷筒的轴向与纤维夹紧头绕其转动的轴向相垂直；原纤维卷筒的两端通过轴承与中空原纤维架连接。

进一步优选地，所述加螺旋驱动机构为双头电机且采用中空主轴，所述中空主轴的一端与所述中空原纤维架同轴固定连接，中空原纤维架带有供纤维自由通过的通孔，所述原纤维卷筒的轴向与所述中空主轴轴向相垂直；所述中空主轴的另一端与纤维夹紧头的连接部同轴固定连接，中空原纤维架和纤维夹紧头均随主轴转动。

加螺旋驱动电机采用双头电机，一端用于安装原纤维供应模块，另一端用于安装纤维夹持头，另外电机主轴应采用中空结构，保证纤维可以穿过；

原纤维架采用中空结构保证纤维可以穿过，其一端安装在驱动电机主轴上随电机主轴一起转动，另一端用于安装原纤维卷筒；原纤维卷筒，原纤维缠绕在卷筒上，用于供应原纤维，两端可通过轴承安装在原纤维支架上，保证其可以自由转动，达到供应原纤维的目的。

优选地，所述压紧辊轴的表面由弹性软质材料制成，且带有供加螺旋纤维通过且限制加螺旋纤维轴向转动的凹槽。

压紧辊轴，用于压紧纤维；压紧辊轴包括上下两部分，可沿轴向转动，表面应用弹性软质材料制作，用于压紧加螺旋的纤维，保证其无法绕轴向转动，同时易于沿轴向运动。

优选地，所述纤维收集与供给模块包括：

螺旋纤维卷筒；

将螺旋纤维绕置在所述螺旋纤维卷筒上的收纤维驱动电机；

以及将绕置在螺旋纤维卷筒上的螺旋纤维输送给3D打印头的供纤维驱动电机。

进一步优选地，所述螺旋纤维卷筒与供纤维驱动电机的主轴同轴固定；所述收纤维驱动电机的主轴顶端固定用于引导纤维缠绕在螺旋纤维卷筒上的收纤维臂，所述收纤维臂上带有供螺旋纤维穿过的小孔。

更进一步优选地，所述收纤维臂包括互成90°连接的两部分，一部分与收纤维驱动电机的主轴固定、另一部分延伸至螺旋纤维卷筒中部外侧且与螺旋纤维筒轴线相平行，小孔位于与螺旋纤维筒轴线相平行的部分的顶部，且小孔的轴向与螺旋纤维卷筒的轴向相垂直。

更进一步优选地，所述供纤维驱动电机上固定有供纤维架，供纤维架上带有供纤维通过的通孔，该通孔与3D打印头的输入孔之间设置纤维引导管。供纤维架安装在电机支架上，用于安装纤维引导管。

螺旋纤维卷筒用于收集加好螺旋的纤维，同时可供应加好螺旋的纤维给3D打印头；收纤维驱动电机用于驱动收纤维臂绕轴向转动；收纤维臂固定在驱动电机上，用于引导纤维绕在收集卷筒上；供纤维驱动电机，用于驱动纤维收集卷筒绕轴向转动；

收集驱动电机的转速应和加螺旋电机按照特定的速比转动，此时供纤维驱动电机不转动，加螺旋后的纤维被收集在纤维卷筒上，调节速比可调节纤维的加螺旋程度，即可调节单位长度加螺旋的圈数；

收纤维臂安装在收集驱动电机主轴上，由随其主轴转动，采用折弯结构，保证前端的引导环可以绕着纤维卷筒转动，带动纤维沿轴向运动，绕在卷筒上实现纤维收集；

供纤维驱动电机，与加螺旋驱动电机按照一定的速比同时转动，可通过调节速比来调节单位长度加螺旋的圈数，此时收集驱动电机停止转动，实现给纤维加螺旋的同时提供给3D打印头，并带动纤维沿轴向移动；

供纤维架，用于安装供纤维装置与3D打印头之间的纤维引导软管，以此起到引导纤维的作用；

供纤维卷筒，安装在供纤维驱动电机的主轴上，随其转动或静止。

3D打印头为常用的连续纤维3D打印头，包括两个进料口，一个进料口通纤维引导软管与供纤维支架相连，加好螺旋的纤维通过此进料口进入3D打印头，另一个进料口进常用的3D打印材料，包括PLA或ABS等，加好螺旋的纤维，随常用3D打印材料在工作台或已打印层上固化而使纤维拖拽，实现纤维持续供料。

加螺旋驱动电机的主轴水平布置；供纤维驱动电机和收纤维驱动电机的主轴竖直布置。

本发明还提供一种连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的方法，利用本发明所述装置完成，包括如下步骤：

(1)原纤维缠绕在原纤维卷筒上，然后引导原纤维依次穿过纤维夹紧头、压紧辊轴、纤维收集与供给模块，最后接入3D打印头中；

(2)采用加螺旋和打印同步模式：此时收纤维驱动电机不转动，送纤维驱动电机与加螺旋电机按一定的速比一起转动，对纤维加螺旋的同时收纤维并送给3D打印头；

或采用加螺旋与打印异步模式：此时送纤维驱动电机不转动，收纤维驱动电机驱动收纤维臂与加螺旋驱动电机按一定速比转动，在加螺旋的同时将纤维收集在螺旋纤维卷筒上。

本发明提出了一种连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的方法和装置，与现有技术相比，本发明采用加螺旋的方式提高连续纤维的弹性伸长量，设计了一个给连续纤维加螺旋并打印的装置，提高了碳纤维、碳纳米管纤维等感知纤维的轴向弹性伸长量，拓宽了其在柔性智能结构中的应用。

附图说明

图1为一种连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的装置示意图；

图2为一种连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的方法流程图；

图3为本发明的纤维收集和供给模块示意图；

图4为本发明的压紧辊轴示意图；

图5为本发明的纤维夹持头示意图；

图6为本发明的原纤维供应模块示意图；

图7为本发明的原纤维示意图；

图8为本发明的加螺旋后的纤维示意图；

1-3D打印头 2-纤维引导软管 3-供纤维驱动电机

4-供纤维架 5-螺旋纤维卷筒 6-收纤维驱动电机

7-收纤维电机支架 8-收纤维臂 9-上压紧辊轴

10-下压紧辊轴 11-纤维夹紧头 12-加螺旋电机支架

13-加螺旋驱动电机 14-中空原纤维架 15-原纤维卷筒

16-原纤维 17-加螺旋后纤维 18-夹紧螺栓

19-压紧弹性块 20-在加螺旋纤维段

具体实施方式

如图1所示，一种连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的装置，包括原纤维供应模块、纤维加螺旋模块、纤维收集与供给模块和3D打印头1。

原纤维供应模块如图1和图6所示，包括中空原纤维架14，原纤维卷筒15，原纤维架为中空圆筒，保证纤维可以穿过，中空圆筒一端带有与中通圆筒一体成型的安装耳，用于安装原纤维卷筒15，原纤维卷筒与安装耳之间通过轴承连接，原纤维卷筒可自由转动，原纤维卷筒的轴向与中空圆筒的轴向相垂直安装。

中空原纤维架随电机主轴一起转动，保证原纤维16在进入加螺旋阶段前保持不变，原纤维16缠绕在卷筒15上，用于供应原纤维，两端通过轴承安装在原纤维支架14上，保证其可以自由转动，达到供应原纤维的目的。

纤维加螺旋模块如图1、图4和图5所示，包括加螺旋驱动电机13、纤维夹紧头11和一对夹紧辊轴，加螺旋驱动电机固定在加螺旋电机支架12上，纤维夹紧头如图5所示，一端为中空圆筒结构的连接部、一端为纤维夹持部，连接部和纤维夹持部一体成型，纤维夹持部包括与连接部一体成型的两块相互平行的夹板，两块夹板之间设置压紧弹性块19如橡胶材料，压紧弹性块上开有沿轴向纹理的孔用于纤维穿过，同时使纤维难于绕轴线转动而易于沿轴向窜动，还设置连接两块夹板的夹紧螺栓18，夹紧螺栓18用于调节对弹性体的压紧力，通过调节压紧力的大小保证在其在电机驱动下转动时可带动纤维一起转动，另外压紧力不易过大，保证纤维在弹性体中可沿轴向运动，使纤维可以连续的进入加螺旋区域。

加螺旋驱动电机采用双头电机，且主轴采用中空主轴，水平布置，主轴一端与中空原纤维架的中空圆筒同轴固定、另一端与纤维夹紧头的连接部同轴固定。

夹紧辊轴与纤维夹紧头之间间隔一定距离安装，包括上夹紧辊轴9和下夹紧辊轴10，夹紧辊轴可绕其自身转轴轴向转动，辊轴表面为弹性材质，且表面带有一容纳纤维的凹槽，凹槽深度保证其无法绕轴向转动，同时易于沿轴向运动为准。

纤维收集与供给模块如图1和图3所示，包括螺旋纤维转筒5、供纤维驱动电机3和收纤维驱动电机6，螺旋纤维卷筒用于收集加好螺旋的纤维，同时可供应加好螺旋的纤维给3D打印头1，螺旋纤维转筒与位于上方的供纤维驱动电机3的主轴同轴固定，收纤维驱动电机6位于螺旋纤维转筒下方，安装在收纤维电机支架7上，主轴与螺旋纤维卷筒同轴布置但不连接，收纤维驱动电机6的主轴顶端固定一个收纤维臂8，收纤维臂采用L形板，水平部与电机主轴固定、竖直部向上与螺旋纤维卷筒轴向平行且与螺旋纤维卷筒表面间隔一定距离，竖直部的顶部带有一供加螺旋后纤维17通过的通孔，收纤维驱动电机驱动收纤维臂绕螺旋纤维卷筒转动，将加螺旋后纤维17绕置在螺旋纤维卷筒上。供纤维驱动电机安装在供纤维电机支架上，供纤维电机支架同时作为供纤维支架4，供纤维支架上带有供螺旋纤维穿过的通孔，该通孔与3D打印头的限位输入口之间连接一段纤维引导管2。

3D打印头为常规3D打印头，包括两个进料口，一个进料口通纤维引导软管与供纤维支架相连，加好螺旋的纤维通过此进料口进入3D打印头，另一个进料口进常用的3D打印材料，包括PLA或ABS等，加好螺旋的纤维，随常用3D打印材料在工作台或已打印层上固化而使纤维拖拽，实现纤维持续供料。

工作过程如下：

原纤维缠绕在原纤维卷筒15上，穿过中空原纤维架14和加螺旋驱动电机13的中空主轴，被纤维夹紧头11夹持，纤维穿过纤维夹紧头11被上压紧辊轴9和下压紧辊轴10压紧，随着加螺旋驱动电机13主轴的转动，纤维夹紧头11和压紧辊轴之间的在加螺旋纤维段20被加上螺旋，同时随着收纤维臂8或纤维收集卷筒5的转动，纤维沿轴向运动，被收集在纤维卷筒5上，或同时通过纤维引导管2，供应给3D打印头1。

流程如图2所示，包括以下步骤：

(1)确定电机转速、速比等参数；

(2)根据参数选择工作模式，包括加螺旋和打印同步模式，此时收纤维驱动电机6不转动，送纤维驱动电机3与加螺旋电机13按一定的速比一起转动，对纤维加螺旋的同时收纤维并送给3D打印头1；另一种模式为加螺旋与打印异步模式，此时送纤维电机3不转动，收纤维电机6带动收纤维臂8与加螺旋电机13按一定速比转动，在加螺旋的同时将纤维收集在纤维卷筒5上；(3)根据所选模式工作，完成任务后结束工作。

如图7所示，原纤维16为未加螺旋的纤维，对于由多根细小纤维组成的纤维束，如碳纤维、碳纳米管纤维等，其原纤维可能具有一定的捻度；如图8所示为加螺旋后的纤维17的示意图，加螺旋后纤维直径增大，长度变短，类似于弹簧的结构，纤维弹性伸长量显著增加。

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 (9)

1.一种用于连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的装置，其特征在于，包括原纤维供应模块、纤维加螺旋模块和纤维收集与供给模块，所述纤维收集与供给模块收集来自纤维加螺旋模块的加螺旋纤维并输送至3D打印头中；

所述纤维加螺旋模块包括：

纤维夹紧头，用于供来自原纤维供应模块的待加螺旋纤维沿轴向通过并夹持待加螺旋纤维限制待加螺旋纤维绕轴向转动；

加螺旋驱动机构，用于驱动所述纤维夹紧头绕纤维轴向转动；

一对压紧辊轴，两个压紧辊轴之间供已加螺旋纤维通过且压紧纤维以限制纤维绕轴向转动；

所述纤维夹紧头包括一体成型的：

连接部，与所述加螺旋驱动机构的主轴相连；

纤维夹持部，包括两块夹板、位于两块夹板之间的弹性体以及连接两块夹板的夹紧螺栓，弹性体带有供待加螺旋纤维从弹性体中通过的轴孔。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述原纤维供应模块包括：

与所述纤维夹紧头同轴转动的中空原纤维架；

安装在中空原纤维架上可自由转动的原纤维卷筒，原纤维缠绕在该原纤维卷筒上。

3.根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述加螺旋驱动机构为双头电机且采用中空主轴，所述中空主轴的一端与所述中空原纤维架同轴固定连接，中空原纤维架带有供纤维自由通过的通孔，所述原纤维卷筒的轴向与所述中空主轴轴向相垂直；所述中空主轴的另一端与纤维夹紧头的连接部同轴固定连接，中空原纤维架和纤维夹紧头均随主轴转动。

4.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述压紧辊轴的表面由弹性软质材料制成，且带有供加螺旋纤维通过且限制加螺旋纤维轴向转动的凹槽。

5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述纤维收集与供给模块包括：

螺旋纤维卷筒；

将已加螺旋纤维绕置在所述螺旋纤维卷筒上的收纤维驱动电机；

以及将绕置在螺旋纤维卷筒上的已加螺旋纤维输送给3D打印头的供纤维驱动电机。

6.根据权利要求5所述装置，其特征在于，所述螺旋纤维卷筒与供纤维驱动电机的主轴同轴固定；所述收纤维驱动电机的主轴顶端固定用于引导纤维缠绕在螺旋纤维卷筒上的收纤维臂，所述收纤维臂上带有供已加螺旋纤维穿过的小孔。

7.根据权利要求6所述装置，其特征在于，所述收纤维臂包括互成90°连接的两部分，一部分与收纤维驱动电机的主轴固定、另一部分延伸至螺旋纤维卷筒中部外侧且与螺旋纤维卷筒轴向相平行，小孔位于与螺旋纤维卷筒轴向相平行的部分的顶部，且小孔的轴向与螺旋纤维卷筒的轴向相垂直。

8.根据权利要求6所述装置，其特征在于，所述供纤维驱动电机上固定有供纤维架，供纤维架上带有供纤维通过的通孔，该通孔与3D打印头的输入孔之间设置纤维引导管。

9.一种连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的方法，其特征在于，利用如权利要求5所述装置完成，包括如下步骤：

(1)原纤维缠绕在原纤维卷筒上，然后引导原纤维依次穿过纤维夹紧头、压紧辊轴、纤维收集与供给模块，最后接入3D打印头中；

(2)采用加螺旋和打印同步模式：此时收纤维驱动电机不转动，供纤维驱动电机与加螺旋驱动机构按一定的速比一起转动，对纤维加螺旋的同时收纤维并送给3D打印头；

或采用加螺旋与打印异步模式：此时供纤维驱动电机不转动，收纤维驱动电机驱动收纤维臂与加螺旋驱动机构按一定速比转动，在加螺旋的同时将纤维收集在螺旋纤维卷筒上。