CN109016490B - 一种集成结构的连续纤维增强复合材料3d打印机喷头装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于3D打印机结构设计领域，涉及一种集成结构的连续纤维增强复合材料3D打印机喷头装置。该装置由基体/支撑材料打印装置与纤维打印装置集成打印事先处理好的复合材料纤维丝，复合材料纤维丝由纤维丝(如玻璃纤维、碳纤维等)外围包裹热塑性材料(如PLA、ABS和尼龙等)制成，其中基体/支撑材料打印装置承担基体和支撑材料的打印任务，纤维打印装置承担复合材料纤维丝的打印任务，在整个打印任务中基体/支撑材料打印装置与纤维打印装置按规划交替打印，直至完成打印。

Description

一种集成结构的连续纤维增强复合材料3D打印机喷头装置
技术领域
本发明属于3D熔融打印机设计、制造领域，一种集成结构的连续纤维增强复合材料3D打印机喷头装置，其主要特征为：该装置由基体/支撑材料打印装置与纤维打印装置集成打印事先处理好的复合材料纤维丝(以下均以此命名)，复合材料纤维丝由纤维丝(如玻璃纤维、碳纤维等)外围包裹热塑性材料(如PLA、ABS和尼龙等)制成，其中基体/支撑材料打印装置由远程挤出头构成，纤维打印装置由进给、加热、夹持和切断部分组成。
背景技术
目前国内外市场上的3D成型技术主要为：金属粉末直接激光烧结、选择性激光烧结、三维打印黏结成型和熔融沉积成型(FDM)。其中应用最广泛的当属熔融沉积成型(FDM)，国内目前用于它的打印材料主要为热塑材料，如ABS和PLA。由于热塑材料强度低，往往在使用时不能满足强度要求，因此为了增强这种材料的强度，韧性等，通常向其中加入强化纤维，如玻璃纤维，碳纤维等，使其成为复合材料。目前，国内的3D打印机还未见能打印复合材料的详细报告；而在美国虽然已经有打印复合材料的3D打印机，但是其打印喷头较大较重，且由于其切断与打印装置为分离结构，因此只能打印较大物件。这款集基体/支撑材料和纤维材料打印装置的3D打印喷头装置能够解决上述问题。本发明可以广泛用于汽车、航天等领域。
发明内容
本发明的目的就是针对上述已有的技术问题和缺陷，设计一种能够集成基体/支撑材料和纤维材料打印装置为一体的3D打印喷头装置，将其安装在打印平台上来实现连续纤维增强复合材料3D打印。
本发明属于3D打印机结构设计领域，涉及一种3D熔融打印机喷头装置，特别涉及一种具有集成结构的连续纤维增强复合材料3D打印机喷头装置。本发明所采用的技术方案是：设计一种集成结构的3D熔融打印机喷头装置。此装置集成有基体/支撑材料打印装置和能够打印连续复合纤维丝的纤维材料的打印装置。基体/支撑材料打印装置采用远程送丝装置；纤维材料打印装置具有进给、熔融、夹持和切断机构。纤维材料打印装置最上部是复合纤维丝的进给机构，进给机构通过步进电机提供动力，通过纤维挤出轮(从动轮为橡胶轮)将复合纤维丝沿主从轮的切线方向运动，完成复合纤维丝的进给功能；进给机构下方是夹持与切断机构，夹持机构由电磁铁的通断电驱动主压紧块和从压紧块实现对复合材料纤维丝的夹持，切断机构由舵机驱动四连杆机构实现刀片对复合材料纤维丝的切断；夹持机构下面是熔融机构，熔融机构通过固定在加热块上的加热棒来对其加热，从而传递热量至喷嘴，使其通过的复合材料纤维丝的外围高分子热塑材料处于熔融状态后喷出。基体/支撑材料打印装置和纤维材料打印装置由中定位板和加热块定位板集成。散热风扇装配在基体/支撑材料打印装置的散热片上，达到整体散热目的。集成后的喷头装置通过两块连接板与中定位板和直线轴承架连接，从而将其安装在打印平台上完成打印工作。
附图说明
图1、图5为整体装配图，图2为基体/支撑材料打印装置的装配图，图3、图4为纤维材料打印装置的装配图。
图中件号说明：
1.基体/支撑材料打印喷头装置，2.纤维材料打印喷头装置，3.基体/支撑材料打印喷嘴，4.基体/支撑材料打印加热块，5.基体/支撑材料打印加热棒，6.基体/支撑材料打印隔热棉，7.连接喉管，8.散热片，9.风扇架，10.风扇，11.风扇固定螺钉，12.纤维挤出轮，13.压力弹簧，14.定位螺母，15.渐变喉管，16.刀片架，17.连杆，18.舵机，19.中定位板，20.纤维材料打印隔热棉，21.纤维材料打印加热块，22.纤维材料打印加热棒，23.加热块定位板，24.纤维材料打印喷嘴，25.压板，26.从压紧块，27压板螺栓，28.纤维材料打印挤出电机，29.电磁铁，30.主压紧块，31.从压紧块连接螺钉，32.电磁铁定位板，33.电磁铁定位板螺栓，34.刀片螺钉，35.连接板，36.直线轴承架，37.连接板螺栓，38.直线轴承架螺栓，39.复合材料纤维丝，40.基体/支撑材料打印装置固定块，41.基体/支撑材料打印装置固定块螺钉，42.中定位板与加热块定位板连接螺栓，43.刀片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方案进行详细描述说明。
本发明属于集成结构的连续纤维增强复合材料3D打印机喷头装置，该喷头装置是集基体/支撑材料打印喷头装置和纤维材料打印喷头装置为一体的复合材料3D打印机喷头装置；纤维材料打印喷头装置是集进给、熔融、夹持和切断为一体的纤维材料打印装置；具有散热装置。
基体/支撑材料喷头打印装置1和纤维材料打印喷头装置2通过中定位板19和加热块定位板23由中定位板与加热块定位板连接螺栓42装配为一体。基体/支撑材料打印喷头装置1通过基体/支撑材料打印装置固定块40由基体/支撑材料打印装置固定块螺钉41与中定位板19装配。
整机的散热通过两个风扇10来实现，风扇10由风扇固定螺钉11安装在风扇架9上，风扇架9夹持在散热片8上，加快气流流动，达到对整体结构内部散热；集成后的打印装置，使用两块连接板35将中定位板板19与两个直线轴承架36连为一体；连接板35下部用连接板螺栓37与中定位板19连接，连接板35上部通过直线轴承架螺栓38与两个直线轴承架36连接。
基体/支撑材料打印喷头装置1通过连接喉管7上螺纹连接散热片8和基体/支撑材料打印加热块4，基体/支撑材料打印喷嘴3上螺纹与基体/支撑材料打印加热块4连接，基体/支撑材料打印隔热棉6包裹基体/支撑材料打印加热块4，由基体/支撑材料打印加热棒5给基体/支撑材料打印加热块4加热，进一步将热量传递给基体/支撑材料打印喷嘴3，基体/支撑材料打印喷嘴3对通过的基体材料或者支撑材料进行熔融打印。
纤维材料打印喷头装置2由进给、熔融、夹持和切断机构组成。
进给机构由纤维材料打印挤出电机28提供动力，驱动纤维挤出轮12，调节压力弹簧13的压力使复合材料纤维丝39顺利进入渐变喉管15完成进给功能，渐变喉管15与纤维材料打印挤出电机28和中定位板19通过定位螺母14固定连接。
熔融机构对从渐变喉管15顺利挤出的复合材料纤维丝39进行熔融后待打印；熔融机构由压板25通过压板螺栓27固定在加热块定位板23上，纤维材料打印加热块21由纤维材料打印加热棒22对其加热，再由纤维材料打印加热块21传热给纤维材料打印喷嘴24，将通过喷嘴的复合材料纤维丝39外包裹的热塑性材料(如PLA、ABS和尼龙等)熔融后喷出。
夹持和切断机构是在完成一层复合材料纤维丝39的打印后对其切断，以便于后续打印基体/支撑材料；夹持机构是由电磁铁29带动主压紧块30与从压紧块26配合实现夹持功能；从压紧块连接螺钉31将从压紧块26固定在压板25上；电磁铁29由电磁铁定位板32通过电磁铁定位板螺栓33与中定位板19装配固定；切断机构是在电磁铁29通电完成夹持功能后进行切断；切断装置由装配在中定位板19上的舵机18驱动连杆17带动刀片架16运动，用刀片架16上的刀片43对复合材料纤维丝39进行切断，刀片43通过刀片螺钉34固定在刀片架16上。
本发明明显提高了3D打印机打印件的强度及其韧性，最大的优势就是该集成结构装置能够打印连续纤维增强复合材料，功能齐全，其结构紧凑，方便实用，大大提高了FDM打印的应用范围；同时其设计的结构简单，成本低，实用性强。

Claims (1)

1.一种集成结构的连续纤维增强复合材料3D打印机喷头装置，是将基体/支撑材料打印喷头装置和纤维材料打印喷头装置集成为一体的复合材料3D打印机喷头，其特征在于：基体/支撑材料打印喷头装置(1)和纤维材料打印喷头装置(2)通过中定位板(19)和加热块定位板(23)由中定位板与加热块定位板连接螺栓(42)装配为一体；基体/支撑材料打印喷头装置(1)通过基体/支撑材料打印装置固定块(40)由基体/支撑材料打印装置固定块螺钉(41)与中定位板(19)装配；整机的散热通过两个风扇(10)来实现，风扇(10)由风扇固定螺钉(11)安装在风扇架(9)上，风扇架(9)夹持在散热片(8)上，加快气流流动，达到对整体结构内部散热；集成后的打印机喷头装置，使用两块连接板(35)将中定位板(19)与两个直线轴承架(36)连为一体；连接板(35)下部用连接板螺栓(37)与中定位板(19)连接，连接板(35)上部通过直线轴承架螺栓(38)与两个直线轴承架(36)连接；
基体/支撑材料打印喷头装置(1)通过连接喉管(7)上的螺纹连接散热片(8)和基体/支撑材料打印加热块(4)，基体/支撑材料打印喷嘴(3)上的螺纹与基体/支撑材料打印加热块(4)连接，基体/支撑材料打印隔热棉(6)包裹基体/支撑材料打印加热块(4)，通过基体/支撑材料打印加热棒(5)给基体/支撑材料打印加热块(4)加热，进一步将热量传递给基体/支撑材料打印喷嘴(3)，基体/支撑材料打印喷嘴(3)对通过的基体材料或者支撑材料进行熔融打印；
纤维材料打印喷头装置(2)由进给、熔融、夹持和切断机构组成；进给机构由纤维材料打印挤出电机(28)提供动力，驱动纤维挤出轮(12)，调节压力弹簧(13)的压力使复合材料纤维丝(39)顺利进入渐变喉管(15)完成进给功能，渐变喉管(15)与纤维材料打印挤出电机(28)和中定位板(19)通过定位螺母(14)固定连接；熔融机构对从渐变喉管(15)顺利挤出的复合材料纤维丝(39)进行熔融后待打印；熔融机构由压板(25)通过压板螺栓(27)固定在加热块定位板(23)上，纤维材料打印加热块(21)由纤维材料打印加热棒(22)对其加热，再由纤维材料打印加热块(21)传热给纤维材料打印喷嘴(24)，将通过喷嘴的复合材料纤维丝(39)外包裹的热塑性材料熔融后喷出；夹持和切断机构是在完成一层复合材料纤维丝(39)的打印后对其切断，以便于后续打印基体/支撑材料；夹持机构是由电磁铁(29)带动主压紧块(30)与从压紧块(26)配合实现夹持功能；从压紧块连接螺钉(31)将从压紧块(26)固定在压板(25)上；电磁铁(29)由电磁铁定位板(32)通过电磁铁定位板螺栓(33)与中定位板(19)装配固定；切断机构是在电磁铁(29)通电完成夹持功能后进行切断；切断装置由装配在中定位板(19)上的舵机(18)驱动连杆(17)带动刀片架(16)运动，用刀片架(16)上的刀片(43)对复合材料纤维丝(39)进行切断，刀片(43)通过刀片螺钉(34)固定在刀片架(16)上。
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