CN108327265B - 一种桌面型全自动碳纤维缠绕成型机 - Google Patents

一种桌面型全自动碳纤维缠绕成型机 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种结合3D打印技术的桌面型全自动碳纤维缠绕成型机，包括：由下至上依次设置的运动成型工作台机构、3D打印机构以及碳纤维缠绕机构，其中：运动成型工作台机构包括：Z方向运动组件以及工作台；3D打印机构包括：X方向运动组件，Y方向运动组件以及打印头组件；碳纤维缠绕机构包括：V方向运动组件以及碳纤维缠绕组件。本发明相对于现有技术的有益效果在于：大大提高工作效率，降低制作成本；提高了芯模的制作精度；设计合理，结构简单，使用安全方便。

Description

一种桌面型全自动碳纤维缠绕成型机
技术领域
本发明属于快速成型技术领域，具体涉及一种与3D打印技术相结合的桌面型全自动碳纤维缠绕成型机。
背景技术
碳纤维是复合材料中使用极为普遍的一种，具有密度小、质量轻、强度高、耐超高温、低温特性好、耐化学试剂等优点。
现阶段，大批量生产的碳纤维成型有各种解决方法，也相对较成熟。但是，对于实验用或小尺寸DIY制作，大多采用的方法是打磨好内芯材料，然后手工缠绕或包覆碳纤维材料成型。这种方法需要人工手工参与操作，不能较好的控制成型精度，且效率低下。如果为了获得较好的成型效果，则需要人工的多次成型找到较好的成型件或者使用厂商提供的相似形状的产品替代，要么耗时费力，要么成本高昂。因此，有必要开发一种桌面型的轻量化可定制的碳纤维自动成型机。
发明内容
为了解决上述技术缺陷，实现小型碳纤维成型设备的全自动化，本发明提供一种与3D打印技术相结合的桌面型全自动碳纤维缠绕成型机。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种结合3D打印技术的桌面型全自动碳纤维缠绕成型机，其特征在于，包括：
由下至上依次设置的运动成型工作台机构、3D打印机构以及碳纤维缠绕机构，其中：运动成型工作台机构包括：
Z方向运动组件以及工作台；工作台呈水平放置并固定在Z方向运动组件上，可沿Z方向在Z方向运动组件上移动；
3D打印机构包括：
X方向运动组件，Y方向运动组件以及打印头组件；打印头组件固定在Y方向运动组件上，可沿Y方向在Y方向运动组件上移动；Y方向运动组件固定在X方向运动组件上，可沿X方向在X方向运动组件上移动；
碳纤维缠绕机构包括：
V方向运动组件以及碳纤维缠绕组件；碳纤维缠绕组件固定在V方向运动组件上，可沿V方向在V方向运动组件上移动；
其中，X方向为水平方向，Y方向为与X方向垂直的水平方向，Z方向为竖直方向，V方向为与Y方向同向的水平方向。
本发明相对于现有技术的有益效果在于：
1.本发明大大提高了实验用用或小尺寸DIY制作的碳纤维成型效率，桌面型的设计使得小型碳纤维成型可以实现全自动，将工作人员从手工打磨芯模的工作中解放出来，大大降低了制作成本。
2.同时提高了芯模的制作精度，使碳纤维最后的成品质量可以控制。
3.本发明设计合理，结构简单，使用安全方便，机器中使用大量的标准件，有益于实现快速维修与更换，同时采用了伺服电机与滚珠丝杆，有着很好的成型精度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为运动成型工作台机构的结构示意图。
图3为3D打印机构的结构示意图。
图4为碳纤维缠绕机构的结构示意图。
图5为3D打印机构的工作状态图。
图6为碳纤维缠绕机构的工作状态图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，包括：
工作台支撑杆1、工作台2、支撑架旋转电机3、V方向伺服电机4、V方向丝杆5、Y方向伺服电机6、支撑架7、旋转盘8、同步带轮9、同步带10、碳纤维丝架11、V方向滑轨12、Y方向滑轨13、打印头14、Y方向丝杆15、X方向伺服电机16、X方向丝杆17、X方向滑轨18、Z方向滚珠丝杆19、Z方向伺服电机20、丝杆支座21、Z方向丝杆螺母22、支撑杆固定座23、X方向支座24、X方向丝杆螺母25、Y方向丝杆螺母26、打印头夹具27、Y方向支座28、旋转支座29、V方向丝杆螺母30、V方向支座31、打印中的芯模32、芯模33、外框架34、缠绕机构框架35。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图1所示，一种结合3D打印技术的桌面型全自动碳纤维缠绕成型机，包括：
由下至上依次设置的运动成型工作台机构、3D打印机构以及碳纤维缠绕机构，其中：运动成型工作台机构包括：
Z方向运动组件以及工作台2；工作台2呈水平放置并固定在Z方向运动组件上，可沿Z方向在Z方向运动组件上移动。
3D打印机构包括：
X方向运动组件，Y方向运动组件以及打印头组件；打印头组件固定在Y方向运动组件上，可沿Y方向在Y方向运动组件上移动；Y方向运动组件固定在X方向运动组件上，可沿X方向在X方向运动组件上移动。
碳纤维缠绕机构包括：
V方向运动组件以及碳纤维缠绕组件；碳纤维缠绕组件固定在V方向运动组件上，可沿V方向在V方向运动组件上移动。
其中，XYZ为3D打印机构运动的参考坐标系，V轴属于碳纤维缠绕机构运动的UVW参考坐标系，其方向与3D打印机构运动的参考坐标系中的Y相同。
在本实施例中，运动成型工作台机构的具体结构如图2所示，其中，Z方向运动组件包括：
若干沿Z方向即竖直方向延伸的工作台支撑杆1；若干沿Z方向即竖直方向延伸的Z方向滚珠丝杆19，每个Z方向滚珠丝杆19配有Z方向伺服电机20和Z方向丝杆螺母22；工作台2呈水平放置并活动套设在工作台支撑杆1和Z方向滚珠丝杆19上，Z方向丝杆螺母22与工作台2固定配合；工作台2在水平方向上位置固定，在竖直方向上可沿工作台支撑杆1和Z方向滚珠丝杆19上下移动。Z方向滚珠丝杆19、Z方向伺服电机20、Z方向丝杆螺母22和工作台2的相互配合，能够实现工作台2在Z轴方向上的精准移动。
在具体应用中，可以设置一个包裹在运动成型工作台机构外的外框架34，便于将碳纤维缠绕成型机中的所有零部件固定为一整体结构，考虑到碳纤维缠绕成型机的运行涉及X、Y、Z、V的运动方向，因此，将外框架34设计为如图1和图2所示的立方体框架，但不限于此，也可以根据实际需要替换为其他类型的框架或基座。如图2所示，工作台支撑杆1的两端通过支撑杆固定座23分别固定在外框架34的顶部和底部，Z方向滚珠丝杆19的一端通过Z方向伺服电机20固定安装在外框架34的底部，Z方向滚珠丝杆19的另一端通过丝杆支座21固定安装在外框架34的顶部。图1和图2示出的工作台支撑杆1的数量为4个，Z方向滚珠丝杆19的数量为2个，但具体的数量和位置不限于此，本领域内的技术人员可以根据实际情况进行选择。
在本实施例中，3D打印机构的具体结构如图3所示，其中：
X方向运动组件包括：
两组沿X方向延伸的X方向滚珠丝杆17和X方向导轨18，每个X方向滚珠丝杆17配有X方向伺服电机16和X方向丝杆螺母25。
Y方向运动组件包括：
沿Y方向延伸的Y方向滚珠丝杆15和Y方向导轨13；Y方向滚珠丝杆15配有Y方向伺服电机6和Y方向丝杆螺母26；Y方向导轨13的一端通过X方向丝杆螺母25与一个X方向滚珠丝杆17固定配合，Y方向导轨13的另一端通过X方向丝杆螺母25与另一个X方向滚珠丝杆17固定配合；Y方向滚珠丝杆15的一端与Y方向伺服电机6配合连接，Y方向滚珠丝杆15的另一端与一Y方向支座28配合连接；Y方向伺服电机6与一个Y方向导轨13滑动配合，Y方向支座28与另一个Y方向导轨13滑动配合。
打印头组件包括：
打印头14以及固定打印头14的打印头夹具27；打印头夹具27活动套设在Y方向滚珠丝杆15和Y方向导轨13上，并与Y方向丝杆螺母26固定配合。
通过Y方向滚珠丝杆15、Y方向导轨13、X方向滚珠丝杆17以及X方向导轨18之间的相互配合，使得Y方向滚珠丝杆15和Y方向导轨13能够沿X轴方向精准移动。通过打印头夹具27与Y方向滚珠丝杆15和Y方向导轨13的相互配合，使得打印头14能够沿Y轴方向精准移动。
在本实施例中，3D打印机构安装在外框架34的顶部；两个X方向导轨18沿X方向分别对称设置在外框架34顶部的两条边框上；两个X方向滚珠丝杆17也相对应的沿X方向分别对称设置在外框架34顶部的两条边框上，X方向滚珠丝杆17的一端通过X方向伺服电机16与外框架34固定连接，X方向滚珠丝杆17的另一端通过X方向支座24与外框架34固定连接。
在本实施例中，碳纤维缠绕机构的具体结构如图4所示，其中：
V方向运动组件包括：
两组沿V方向延伸的V方向滚珠丝杆5和V方向导轨12，每个V方向滚珠丝杆5配有V方向伺服电机4和V方向丝杆螺母30。
碳纤维缠绕组件包括：
支撑架7以及设置在支撑架7上的旋转盘8、同步带10、同步带轮9和碳纤维丝架11；支撑架7的一端通过V方向丝杆螺母30与一个V方向滚珠丝杆5固定配合，支撑架7的另一端通过V方向丝杆螺母30与另一个V方向滚珠丝杆5固定配合；支撑架7的一端与一支撑架旋转电机3配合连接，支撑架7的另一端与一旋转支架29配合连接；支撑架旋转电机3与一个V方向导轨12滑动配合，旋转支架29与另一个V方向导轨12滑动配合。
支撑架7与V方向滚珠丝杆5和V方向导轨12的配合，使得支撑架7可以沿V轴方向精准移动。支撑架7与支撑架旋转电机3和旋转支架29的配合，支撑架7由支撑架旋转电机3驱动可以绕与V轴垂直的方向为轴精准旋转。支撑架7上安装有旋转盘8、同步带10和同步带轮9，通过同步带10的带动，固定在旋转盘8上的碳纤维丝架11随之绕旋转盘8中心轴公转。
在本实施例中，全自动碳纤维缠绕成型机还包括设置在外框架34上方的缠绕机构框架35；V方向导轨12沿V方向固定在缠绕机构框架35的顶部；V方向滚珠丝杆5的一端通过V方向伺服电机4与缠绕机构框架35固定连接，V方向滚珠丝杆5的另一端通过V方向支座31与缠绕机构框架35固定连接。
本发明的具体工作原理和工作流程如下：
参见图5，打印头14由X方向伺服电机16驱动并配合X方向滚珠丝杆17获得X方向上的精确移动，由Y方向伺服电机6驱动并配合Y方向滚珠丝杆15获得Y方向上的精确移动，借助X和Y轴的联动，根据用户提供的芯模打印模型，打印头14的挤出丝可以在XOY平面上切片打印出芯模32的每个截面，配合成型工作台2的Z方向下移，成型材料在Z方向上熔融堆积成型，制作出碳纤维缠绕所需的支撑用芯模33。
参见图6，芯模33打印完成后，工作台2上升至缠绕工作高度，碳纤维丝架11上事先装入碳纤维预浸料，纤维线头可以预先固定在横梁上或手工固定在芯模上，V方向丝杆由V方向伺服电机4驱动，使支撑架7整体可以在V方向上移动，配合成型工作台2的Z方向移动，可以保证支撑架7上的旋转盘8的中心点始终与芯模的中心轴重合，而支撑架旋转电机3和旋转支座29让支撑架可以整体绕V轴转动，进而使得旋转盘8的法线可以始终与芯模的中心轴相切，最后通过同步带10带动旋转盘转动，固定在旋转盘8上的碳纤维丝架11随之绕旋转盘8中心轴公转，使碳纤维预浸料缠绕覆盖在芯模33上成型，成型方式可以通过各轴的联动来调节。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种结合3D打印技术的桌面型全自动碳纤维缠绕成型机，其特征在于，包括：
由下至上依次设置的运动成型工作台机构、3D打印机构以及碳纤维缠绕机构，其中：所述运动成型工作台机构包括：
Z方向运动组件以及工作台(2)；所述工作台(2)呈水平放置并固定在所述Z方向运动组件上，可沿Z方向在所述Z方向运动组件上移动；
所述3D打印机构包括：
X方向运动组件，Y方向运动组件以及打印头组件；所述打印头组件固定在所述Y方向运动组件上，可沿Y方向在所述Y方向运动组件上移动；所述Y方向运动组件固定在所述X方向运动组件上，可沿X方向在所述X方向运动组件上移动；
所述碳纤维缠绕机构包括：
V方向运动组件以及碳纤维缠绕组件；所述碳纤维缠绕组件固定在所述V方向运动组件上，可沿V方向在所述V方向运动组件上移动；
其中，所述X方向为水平方向，所述Y方向为与所述X方向垂直的水平方向，所述Z方向为竖直方向，所述V方向为与所述Y方向同向的水平方向。
2.根据权利要求1所述的结合3D打印技术的桌面型全自动碳纤维缠绕成型机，其特征在于，所述Z方向运动组件包括：
若干沿Z方向延伸的工作台支撑杆(1)；若干沿竖直方向延伸的Z方向滚珠丝杆(19)，每个所述Z方向滚珠丝杆(19)配有Z方向伺服电机(20)和Z方向丝杆螺母(22)；所述工作台(2)呈水平放置并活动套设在所述工作台支撑杆(1)和所述Z方向滚珠丝杆(19)上，所述Z方向丝杆螺母(22)与所述工作台(2)固定配合；所述工作台(2)在水平方向上位置固定，在竖直方向上可沿所述工作台支撑杆(1)和所述Z方向滚珠丝杆(19)上下移动。
3.根据权利要求1所述的结合3D打印技术的桌面型全自动碳纤维缠绕成型机，其特征在于：
所述X方向运动组件包括：
两组沿X方向延伸的X方向滚珠丝杆(17)和X方向导轨(18)，每个所述X方向滚珠丝杆(17)配有X方向伺服电机(16)和X方向丝杆螺母(25)；
所述Y方向运动组件包括：
沿Y方向延伸的Y方向滚珠丝杆(15)和Y方向导轨(13)；所述Y方向滚珠丝杆(15)配有Y方向伺服电机(6)和Y方向丝杆螺母(26)；所述Y方向导轨(13)的一端通过所述X方向丝杆螺母(25)与一个所述X方向滚珠丝杆(17)固定配合，所述Y方向导轨(13)的另一端通过所述X方向丝杆螺母(25)与另一个所述X方向滚珠丝杆(17)固定配合；所述Y方向滚珠丝杆(15)的一端与所述Y方向伺服电机(6)配合连接，所述Y方向滚珠丝杆(15)的另一端与一Y方向支座(28)配合连接；所述Y方向伺服电机(6)与一个所述Y方向导轨(13)滑动配合，所述Y方向支座(28)与另一个所述Y方向导轨(13)滑动配合；
所述打印头组件包括：
打印头(14)以及固定所述打印头(14)的打印头夹具(27)；所述打印头夹具(27)活动套设在所述Y方向滚珠丝杆(15)和所述Y方向导轨(13)上，并与所述Y方向丝杆螺母(26)固定配合。
4.根据权利要求1所述的结合3D打印技术的桌面型全自动碳纤维缠绕成型机，其特征在于：
所述V方向运动组件包括：
两组沿V方向延伸的V方向滚珠丝杆(5)和V方向导轨(12)，每个所述V方向滚珠丝杆(5)配有V方向伺服电机(4)和V方向丝杆螺母(30)；
所述碳纤维缠绕组件包括：
支撑架(7)以及设置在所述支撑架(7)上的旋转盘(8)、同步带(10)、同步带轮(9)和碳纤维丝架(11)；所述支撑架(7)的一端通过所述V方向丝杆螺母(30)与一个所述V方向滚珠丝杆(5)固定配合，所述支撑架(7)的另一端通过所述V方向丝杆螺母(30)与另一个所述V方向滚珠丝杆(5)固定配合；所述支撑架(7)的一端与一支撑架旋转电机(3)配合连接，所述支撑架(7)的另一端与一旋转支架(29)配合连接；所述支撑架旋转电机(3)与一个所述V方向导轨(12)滑动配合，所述旋转支架(29)与另一个所述V方向导轨(12)滑动配合。
5.根据权利要求2所述的结合3D打印技术的桌面型全自动碳纤维缠绕成型机，其特征在于：还包括包裹在所述运动成型工作台机构外的外框架(34)；所述工作台支撑杆(1)的两端通过支撑杆固定座(23)分别固定在所述外框架(34)的顶部和底部，所述Z方向滚珠丝杆(19)的一端通过所述Z方向伺服电机(20)固定安装在所述外框架(34)的底部，所述Z方向滚珠丝杆(19)的另一端通过丝杆支座(21)固定安装在所述外框架(34)的顶部。
6.根据权利要求3所述的结合3D打印技术的桌面型全自动碳纤维缠绕成型机，其特征在于：还包括包裹在所述运动成型工作台机构外的外框架(34)，所述3D打印机构安装在所述外框架(34)的顶部；所述X方向导轨(18)沿X方向设置在所述外框架(34)的顶部；所述X方向滚珠丝杆(17)的一端通过所述X方向伺服电机(16)与所述外框架(34)固定连接，所述X方向滚珠丝杆(17)的另一端通过X方向支座(24)与所述外框架(34)固定连接。
7.根据权利要求4所述的结合3D打印技术的桌面型全自动碳纤维缠绕成型机，其特征在于：还包括包裹在所述运动成型工作台机构外的外框架(34)，以及设置在所述外框架(34)上方的缠绕机构框架(35)；所述V方向导轨(12)沿V方向固定在所述缠绕机构框架(35)的顶部；所述V方向滚珠丝杆(5)的一端通过所述V方向伺服电机(4)与所述缠绕机构框架(35)固定连接，所述V方向滚珠丝杆(5)的另一端通过V方向支座(31)与所述缠绕机构框架(35)固定连接。
8.根据权利要求2或5所述的结合3D打印技术的桌面型全自动碳纤维缠绕成型机，其特征在于：所述支撑杆(1)的数量为4个，4个所述支撑杆(1)的位置相互对称；所述Z方向滚珠丝杆(19)的数量为2个，2个所述Z方向滚珠丝杆(19)的位置相互对称。
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