CN108127905A - 碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置，包括运动模块和热塑性复合材料打印模块，还包括碳纤维铺设模块和灌注模块；本发明还公开了碳纤维热塑性复合材料智能结构的制造方法；本发明装置和方法将碳纤维和热塑性复合材料通过三维打印技术进行集成，不仅可大幅提高三维打印热塑性材料强度，而且能够实现智能结构状态自监测，同时还可以通过在智能结构内部设置孔道，并在相邻孔道内部分别填充不同组份的树脂，可实现智能结构损伤自修复，对拓展三维打印热塑性复合材料应用领域具有重要意义。

Description

碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置与方法

技术领域

本发明涉及碳纤维热塑性复合材料制造领域，特别涉及碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置与方法。

背景技术

三维打印技术作为近年来新兴的快速制造技术得到越来越多的关注，其采用材料层层叠加的原理将三维设计数据经快速制造装备直接制造出成品，而不需要任何刀具。热塑性材料熔融沉积成形技术以其低成本，易操作而成为众多三维打印技术中应用最为广泛的技术之一，但打印结构件机械强度较差的固有属性极大限制了其工业级应用。现有技术中，有研究者提出各种手段来提高结构强度，有研究者就提出了通过嵌入碳纤维来提高三维打印热塑性复合材料的强度，从而极大拓展其工业级应用范围。

碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量的新型纤维材料，其具有许多优良的性能，如高强度，低密度，耐疲劳，热膨胀系数小，良好的导电导热等性能。充分挖掘碳纤维良好的导电特性，利用其良好的力阻特性，可实现三维打印热塑性复合材料的结构健康状态自感知。已有研究表明，碳纤维电阻值变化能够实时反映结构应力应变状态以及损伤等健康状态。

现有技术中，已经有研究者提出了一些碳纤维铺设的装置和方法，但是现有技术中的碳纤维铺设装置大多结构复杂且用途单一，单独用于三维打印或者单独进行铺丝，因此，将多种功能整合以适用于制造多功能的智能结构具有重要意义。

发明内容

本发明提供了碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置，集成多种打印功能，实现多种类型的热塑性复合材料智能结构的制造。

碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置，包括运动模块和热塑性复合材料打印模块，还包括碳纤维铺设模块和灌注模块。

本发明将碳纤维和热塑性复合材料通过三维打印技术进行集成，打印碳纤维不仅可大幅提高三维打印热塑性材料强度，而且能够实现智能结构状态自监测。同时设有灌注模块可以根据需要在热塑性复合材料智能结构的孔道或者孔洞中注射各种胶状或者液态的材料，使热塑性复合材料智能结构可以完成更多的功能。

为了方便制造和安装，优选的，所述热塑性复合材料打印模块包括：

第一丝材挤出单元，用于向前推挤热塑性材料打印丝材；

第一动力源，向所述第一丝材挤出单元提供动力；

喉管，与所述第一丝材挤出单元的出丝口连通；

第一散热结构，设置在所述喉管的外周；

第一加热单元，设有与所述喉管连通的第一丝材通道；

第一打印头，与所述第一丝材通道的出丝口连通。

热塑性材料打印丝材在第一加热单元的第一丝材通道内融化再从第一打印头挤出进行三维打印。

喉管起到引导热塑性丝材的作用，第一散热结构包括设置在所述喉管的外壁上的散热片以及固定在所述喉管外周的散热器，以实现更好的散热，防止丝材在喉管内提前融化，还可以设置和散热器配合的冷却器。

为了提高碳纤维的打印效果，优选的，所述碳纤维铺设模块包括：

第二丝材挤出单元，用于向前推挤热塑性材料打印丝材；

第二动力源，向所述第二丝材挤出单元提供动力；

第一喉管，与所述第二丝材挤出单元的出丝口连通；

第二散热结构，设置在所述第一喉管的外周；

第二喉管，用于通入碳纤维；

第二加热单元，设有与所述第一喉管连通的第二丝材通道，与所述第二喉管连通的第三丝材通道以及交会所述第三丝材通道与所述第二丝材通道的第四丝材通道；

第二打印头，与所述第四丝材通道的出丝口连通。

上述结构中，热塑性材料打印丝材依次通过第二丝材挤出单元、第一喉管、第二丝材通道、第四丝材通道以及第二打印头，进行热塑性材料的输送；

碳纤维通过第二喉管、第三丝材通道、第四丝材通道以及第二打印头进行输出，输出时外部包裹热塑性材料，使碳纤维更易与热塑性材料结合，进一步提高打印出的模型(智能结构)的强度，也能使碳纤维更容易感知模型(智能结构)的应力应变及损伤等状态。

第一喉管起到引导热塑性丝材的作用，第二散热结构包括设置在所述第一喉管的外壁上的散热片以及固定在所述第一喉管外周的散热器，以实现更好的散热，防止丝材在喉管内提前融化。所述第一喉管内部还设有铁氟龙导管，可防止熔融热塑性材料回流，进而导致打印头堵塞而终止打印过程。

所述第二喉管用于输送碳纤维，可以不设置散热结构，但是如果设置了散热结构可以提高整体的散热效果，以提高打印效果。

丝材挤出单元一般采用对辊对丝材进行传送，动力源一般采用电机，驱动对辊中的主动轮转动以输送丝材。

加热单元(第一加热单元和第二加热单元)包括设置通道的加热块、加热棒以及热敏电阻。

为了防止热塑性材料堵塞，优选的，所述第二丝材通道和所述第四丝材通道在同一直线上，所述第三丝材通道相对所述第二丝材通道倾斜布置。因为碳纤维只要一端固定后，就可以通过移动第二打印头进行供丝，不易堵塞丝材通道，因此可以设置倾斜通道，而容易堵塞的热塑性材料的丝材通道则设置成直线型。一般的，所述第二丝材通道和所述第四丝材通道在同一直线上且垂直布置，所述第三丝材通道倾斜向上布置，相对第二丝材通道的倾斜角度为20°～60°。

为实现碳纤维无堵塞打印，优选的，所述第二加热单元还包括连接弯管，所述连接弯管的两个弯折段分别伸入所述第二丝材通道和第四丝材通道内。采用这种设置，可防止碳纤维在第二打印头内部堆积而造成第二打印头堵塞，此外，该设置为碳纤维安装提供导向作用，便于碳纤维快速穿过第二打印头而实现打印。优选的，所述连接弯管为金属弯管，金属材质耐热且不易损坏。

为了将碳纤维直接从第二喉管引导至第二打印头，防止堵塞，优选的，所述连接弯管的两端分别伸入所述第二喉管和第二打印头。

为了方便制造和安装，优选的，所述运动模块包括：

打印平台；

XYZ三个运动轴，所述打印平台安装在Z轴上；

打印模块安装座，安装在X轴和Y轴配合的运动输出端上并安装有所述热塑性复合材料打印模块和所述碳纤维铺设模块。

打印平台通过Z轴完成上下运动，安装有所述热塑性复合材料打印模块和所述碳纤维铺设模块的打印模块安装座通过X轴和Y轴的组合完成相对打印平台的平移。

所述灌注模块既可以单独放置，也可以安装在所述打印模块安装座上。当安装在打印模块安装座上时可实现打印-灌注无间断全自动化控制。

所述灌注过程既可以在打印过程中进行也可以在打印结束后进行。在打印过程中进行灌注可实现两种组份树脂胶自密封；打印结束后进行灌注需要进行额外密封。

为了避免刮擦，损伤已打印层，优选的，所述打印模块安装座上设有分别安装所述热塑性复合材料打印模块和所述碳纤维铺设模块的第一升降机构和第二升降机构。通过第一升降机构和第二升降机构控制所述碳纤维铺设模块和所述碳纤维铺设模块与已打印层间的距离，可有效避免非工作的打印头对已打印层造成刮擦。

为了实现所打印的热塑性复合材料智能结构的多种功能，优选的，所述灌注模块包括两个储液模块，分别储存双组份树脂胶的一种组份，两种组份树脂胶相遇后会发生固化。当热塑性复合材料智能结构存在损伤时，两种组份相遇后，会发生固化，从而实现裂纹自修复。

所述灌注模块采用注射式，包括软导管、注射头、储液缸体、推进活塞以及推进机构，所述树脂胶在推进机构驱动推进活塞而挤出。

所述推进机构采用螺杆式，包括步进电机、滚珠丝杠、底座和压条。步进电机驱动滚珠丝杠而带动推进活塞移动，可以实现双组份树脂胶的同步挤出。

本发明还提供了碳纤维热塑性复合材料智能结构的制造方法，采用上述的碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置，包括以下步骤：

步骤1：运动模块根据计算的路径控制热塑性复合材料打印模块和碳纤维铺设模块移动；

步骤2：所述热塑性复合材料打印模块打印出热塑性复合材料基体，热塑性复合材料基体留出至少一组孔道，每组孔道包括相互靠拢并且沿着相同方向延伸的两条孔道；

步骤3：根据计算的路径在步骤2的打印间隙中，所述碳纤维铺设模块打印碳纤维，同时添加电极到打印好的碳纤维层中；

步骤4：通过灌注模块向每组孔道的两条孔道中分别注入不同组份树脂胶，同一组孔道内的两条孔道中的树脂相遇后会发生固化。

步骤4中，如果孔道是贯通的，则在步骤2打印结束后进行灌注树脂胶。

步骤4中，如果孔道是密封在所述热塑性复合材料基体中的，则在步骤2打印完孔道后灌注树脂胶。

通过在智能结构内部设置孔道，并在相邻孔道内部分别填充不同组份的树脂，结构存在损伤时，两种组份通过裂纹相遇后，会发生固化，从而实现裂纹自修复。本发明提出的自监测自修复碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置和方法，对拓展三维打印热塑性复合材料应用领域具有重要意义。

本发明的有益效果：

本发明将碳纤维和热塑性复合材料通过三维打印技术进行集成，不仅可大幅提高三维打印热塑性材料强度，而且能够实现智能结构状态自监测，同时通过在智能结构内部设置孔道，并在相邻孔道内部分别填充不同组份的树脂，可实现智能结构损伤自修复，对拓展三维打印热塑性复合材料应用领域具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置的立体结构示意图。

图2是本发明的热塑性复合材料打印模块和碳纤维铺设模块的立体结构示意图。

图3是碳纤维铺设模块的局部剖视示意图。

图4是灌注模块的立体结构示意图。

图5是采用本发明方法打印的热塑性复合材料智能结构的结构示意图。

图6是采用本发明打印的热塑性复合材料智能结构去除基体材料后的结构示意图。

图7是贯通孔道的结构示意图。

图8是自密封孔道的示意图。

图中各附图标记为：1.打印平台，2.打印模块，3.升降机构，4.X轴运动模块，5.Y轴运动模块，6.Z轴运动模块，7.智能结构，8.灌注模块，9.碳纤维丝材，10.热塑性材料打印丝材，21.步进电机，22.第一挤出模组，23，喉管，24.散热器，25.加热块，26.热敏电阻，27.加热棒，28.打印头，29.冷却器，210.热敏电阻，211.打印头，212.加热棒，213.加热块，214.散热器，215.第一喉管，216.第二喉管，217，第二挤出模组，218.步进电机，219.金属弯管，220.铁氟龙导管，31.第一滚珠丝杠，32.步进电机，33.步进电机，34.第二滚珠丝杠，71.热塑性材料基体，72.碳纤维，73.第一组份孔道，74.第二组份孔道，75.电阻测量装置，76.电极，81.第一注射头，82.第二注射头，83.第一软导管，84.第二软导管，85.第二储液缸体，86.压条，87.底座，88.第二推进活塞，89.第二导轨，810.丝杠，811.滚珠丝杠螺母，812.固定架，813.第一导轨，814.第一推进活塞，815.第一储液缸体，816.步进电机。

具体实施方式

如图1～4所示，本实施例的碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置包括：运动模块，打印模块2、升降机构3和灌注模块8。

运动模块包括打印平台1，X轴运动模块4，Y轴运动模块5和Z轴运动模块6，打印平台1安装在Z轴运动模块上，X轴运动模块4和Y轴运动模块5的组合输出端上安装有打印模块安装座以实现水平移动，升降机构3安装在打印模块安装座。

打印模块2包括热塑性复合材料打印模块和碳纤维铺设模块；热塑性复合材料打印模块用于打印热塑性复合材料，包括第一挤出模组22，步进电机21，喉管23，散热器24，加热块25，热敏电阻26，加热棒27，打印头28和冷却器29；碳纤维铺设模块用于打印混合热塑性复合材料的碳纤维，包括第二挤出模组217，步进电机218，热敏电阻210，打印头211，加热棒212，加热块213，散热器214，第一喉管215和第二喉管216。

加热块213内部设有导通第一喉管215和打印头211的第二丝材通道和第四丝材通道，两通道在同一直线上，还设有与第四丝材通道连通的第三丝材通道，第三丝材通道相对所述第二丝材通道倾斜布置。

加热块213内部还设置有金属弯管219，金属弯管219安装在第三丝材通道和第四丝材通道中用于碳纤维的导向。第一喉管215竖直布置连接第二丝材通道，第二喉管216相对第一喉管215倾斜布置，夹角为30°，第二喉管216与第三丝材通道连通，打印头211连接第四丝材通道；第一喉管215内部还设有铁氟龙导管220，可防止熔融热塑性材料回流，进而导致打印头堵塞而终止打印过程。

灌注模块8包括储液模块和推进机构，储液模块包括第一储液模块和第二储液模块，第一储液模块包括第一注射头81，第一软导管83，第一储液缸体815；第二储液模块包括第二注射头82，第二软导管84，第二储液缸体85。

推进机构包括：压条86和底座87，用于固定第一储液缸体815和第二储液缸体85；第一推进活塞814，用于挤出第一储液缸体815内的树脂胶组份；第二推进活塞88，用于挤出第二储液缸体85内的树脂胶组份；第一导轨813，第二导轨89和丝杠810及滚珠丝杠螺母811，用于实现第一推进活塞814和第二推进活塞88同步运动；固定架812，用于固定第一导轨813和第二导轨89及丝杠810，保证第一推进活塞814和第二推进活塞88平稳运动；步进电机816，为推进运动提供动力源。

基于本实施例的自监测自修复功能的碳纤维热塑性复合材料智能结构的制造方法步骤包括：

(1)结构设计，包括确定纤维体积分数(所打印纤维层数、纤维沉积线之间的距离和纤维打印路径等)，确定孔道分布方式，孔道分布不应影响整体结构强度，可采用有限元仿真等软件进行优化布置。

(2)生成打印代码，采用上述装备对所设计结构进行打印，打印出热塑性复合材料基体，热塑性复合材料基体留出四组孔道，每组孔道包括相互靠拢并且沿着相同方向延伸的两条第一组份孔道73和第二组份孔道74；

(3)根据计算的路径在步骤2的打印间隙中，所述碳纤维铺设模块打印碳纤维，同时添加电极76到打印好的碳纤维73层中；

(4)对步骤(2)中获得的结构中的第一组份孔道73和第二组份孔道74进行灌注，获得具有自监测自修复功能的热塑性复合材料智能结构。

通过上述打印方法，得到如图5和6所示的具有自监测自修复功能的热塑性复合材料智能结构，包括热塑性复合材料基体71、碳纤维72、第一组份孔道73和第二组份孔道74以及外部电阻测量装置75。外部电阻测量装置75通过电极76接入碳纤维72。外部电阻测量装置75测量到碳纤维72的阻值变化，可以判断智能结构的健康状态，当阻值发生突变时，意味结构内部已发生损伤，此时需要卸载智能结构上的载荷，等待两种组份树脂从损伤缝隙流出而融合固化实现损伤修复，固化结束后，原智能结构可继续工作。

步骤4的灌注过程既可以在打印过程中进行(在线式灌注)也可以在打印结束后进行(离线式灌注)。打印结束后进行灌注需要进行额外密封，如图7所示。打印过程中进行灌注可实现两种组份树脂胶自密封，如图8所示。

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 (10)

1.碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置，包括运动模块和热塑性复合材料打印模块，其特征在于，还包括碳纤维铺设模块和灌注模块。

2.如权利要求1所述的碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置，其特征在于，所述热塑性复合材料打印模块包括：

第一丝材挤出单元，用于向前推挤热塑性材料打印丝材；

第一动力源，向所述第一丝材挤出单元提供动力；

喉管，与所述第一丝材挤出单元的出丝口连通；

第一散热结构，设置在所述喉管的外周；

第一加热单元，设有与所述喉管连通的第一丝材通道；

第一打印头，与所述第一丝材通道的出丝口连通。

3.如权利要求1所述的碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置，其特征在于，所述碳纤维铺设模块包括：

第二丝材挤出单元，用于向前推挤热塑性材料打印丝材；

第二动力源，向所述第二丝材挤出单元提供动力；

第一喉管，与所述第二丝材挤出单元的出丝口连通；

第二散热结构，设置在所述第一喉管的外周；

第二喉管，用于通入碳纤维；

第二加热单元，设有与所述第一喉管连通的第二丝材通道，与所述第二喉管连通的第三丝材通道以及交会所述第三丝材通道与所述第二丝材通道的第四丝材通道；

第二打印头，与所述第四丝材通道的出丝口连通。

4.如权利要求3所述的碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置，其特征在于，所述第二丝材通道和所述第四丝材通道在同一直线上，所述第三丝材通道相对所述第二丝材通道倾斜布置。

5.如权利要求4所述的碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置，其特征在于，所述第二加热单元还包括连接弯管，所述连接弯管的两个弯折段分别伸入所述第二丝材通道和第四丝材通道内。

6.如权利要求5所述的碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置，其特征在于，所述连接弯管的两端分别伸入所述第二喉管和第二打印头。

7.如权利要求1所述的碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置，其特征在于，所述运动模块包括：

打印平台；

XYZ三个运动轴，所述打印平台安装在Z轴上；

打印模块安装座，安装在X轴和Y轴配合的运动输出端上并安装有所述热塑性复合材料打印模块和所述碳纤维铺设模块。

8.如权利要求7所述的碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置，其特征在于，所述打印模块安装座上设有分别安装所述热塑性复合材料打印模块和所述碳纤维铺设模块的第一升降机构和第二升降机构。

9.如权利要求1所述的碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置，其特征在于，所述灌注模块包括两个储液模块，分别储存双组份树脂胶的一种组份，两种组份树脂胶相遇后会发生固化。

10.碳纤维热塑性复合材料智能结构的制造方法，其特征在于，采用如权利要求1～9任一权利要求所述的碳纤维热塑性复合材料智能结构制造装置，包括以下步骤：

步骤1：运动模块根据计算的路径控制热塑性复合材料打印模块和碳纤维铺设模块移动；

步骤2：所述热塑性复合材料打印模块打印出热塑性复合材料基体，热塑性复合材料基体留出至少一组孔道，每组孔道包括相互靠拢并且沿着相同方向延伸的两条孔道；

步骤3：根据计算的路径在步骤2的打印间隙中，所述碳纤维铺设模块打印碳纤维，同时添加电极到打印好的碳纤维层中；

步骤4：通过灌注模块向每组孔道的两条孔道中分别注入不同组份树脂胶，同一组孔道内的两条孔道中的树脂相遇后会发生固化。