CN109080168A - 一种连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备，包括：工作台；Z轴运动单元，安装在工作台上；打印平台，安装在Z轴运动单元的动力输出端上；XY轴运动单元，安装在工作台上；热塑性材料挤出机构和连续纤维送料机构，安装在XY运动单元的动力输出端上且位于所述打印平台上方；所述打印平台包括：安装架，与所述Z轴运动单元的动力输出端连接；翻转机构，装在安装架上；旋转机构，安装在所述翻转机构上，旋转轴垂直翻转轴；成型托板，安装在旋转机构上；本发明大幅提高热塑性材料增材制造结构件的力学性能，同时解决传统碳纤维复合材料结构件面临制造工艺复杂、生产周期较长、往往需要模具和难以实现复杂结构制造的难题。

Description

一种连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备
技术领域
本发明涉及连续纤维复合材料制造技术领域，特别涉及一种连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备。
背景技术
在过去几十年里，学术、工业界不断推陈出新，先后发展了多种增材制造技术。其中热塑性材料熔融沉积成型技术因其低成本、易操作而成为目前应用最为广泛的增材制造技术之一。但热塑性材料熔融沉积成型结构件在力学性能方面存在明显不足，大部分打印结构件尚处于“形似”阶段，强度不足极大地限制了其在终端市场的直接应用，特别是对力学强度要求较高的领域。
碳纤维作为国家发展的战略性材料，具有高强度、高刚度、低比重、耐摩擦磨损、可循环回收使用等优异的特性，是新一代高性能轻量化的先进材料，由其制成的复合材料在汽车船舶、航空航天、轨道交通、医疗器械等领域具有重要应用前景。将连续纤维与热塑性材料熔融沉积成型技术相结合，有望大幅提高增材制造结构件的力学性能，同时可解决传统碳纤维复合材料结构件面临制造工艺复杂、生产周期较长、往往需要模具和难以实现复杂结构制造的难题。
但目前关于连续纤维热塑性材料增材制造技术的研究尚处于起步阶段，如申请号为ZL2014103256503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；公开号为CN107127972A的专利文献公布了一种连续纤维增强复合材料增材制造喷头及打印机；公开号为CN106493946A的专利文献也公布了一种适用于连续纤维增强复合材料增材制造的喷头。
上述专利文献重点解决了如何实现连续碳纤维热塑性材料混合与打印的问题，但由于增材制造技术层层叠加的工艺特点，导致连续纤维复合材料在打印方向上的力学性能较差，是制约增材制造连续纤维复合材料结构件进一步广泛应用的关键问题。此外，与传统增材制造技术相比(如热塑性材料熔融沉积成型、金属粉末激光烧结、树脂光固化等，打印过程中材料是液态或粉末状)，连续纤维复合材料增材制造过程具有其特殊性：由于纤维是连续的，对打印路径有极高的要求，从而导致现有技术在复杂结构件的制造中存在一定的局限性。
发明内容
本发明提供了一种连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备，可大幅提高热塑性材料增材制造结构件的强度，同时可实现复杂连续纤维热塑性材料结构件的复合增材制造，特别是连续纤维热塑性材料回转体的复合增材制造。
一种连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备，包括：
工作台；
Z轴运动单元，安装在工作台上；
打印平台，安装在Z轴运动单元的动力输出端上；
XY轴运动单元，安装在工作台上；
热塑性材料挤出机构和连续纤维送料机构，安装在XY运动单元的动力输出端上且位于所述打印平台上方；
所述打印平台包括：
安装架，与所述Z轴运动单元的动力输出端连接；
翻转机构，装在安装架上；
旋转机构，安装在所述翻转机构上，旋转轴垂直翻转轴；
成型托板，安装在旋转机构上。
本发明中，将打印平台设置成两个自由度上的转动(翻转和旋转)，不仅结构简单，可以方便地实现复杂连续纤维热塑性材料结构件的复合增材制造，特别是连续纤维热塑性材料回转体的复合增材制造。
为了使连续纤维送料更顺利，与热塑性材料的混合效果越好，打印效果更好，优选的，所述连续纤维送料机构包括：
安装座，安装在XY运动单元的动力输出端上；
热塑性材料送料单元，固定在安装座上；为了稳定送料，优选采用齿轮副送料方式；热塑性材料送料单元的驱动动力源采用步进电机。
连续纤维送料单元，固定在安装座上；
加热混合单元，连接所述热塑性材料送料单元和连续纤维送料单元用于连续纤维和热塑性材料融合，底部设有出料口；
混合喷头，与所述出料口连接。根据连续纤维规格，如每束纤维所含的细丝数目，选择不同喷嘴直径的混合喷头。
为了防止喷头堵塞及便于纤维更换，优选的，所述混合喷头包括：
纤维通道，一端与所述出料口连通，另一端为喷口；
热气流环形腔体，设置在所述纤维通道外壁靠近喷口的位置，带有进气口以及出气口。
上述结构可以在混合喷头的位置对纤维和热塑性材料进一步加热，方便地实现已固化热塑性材料的快速熔融，利于连续纤维快速更换以及减少加热混合单元的加热时间。此外，该设置可对已打印层进行加热，进一步提高当前打印层与之前已打印层的结合效果，从而进一步提高结构强度。
为避免喷头与已打印结构产生干涉，进一步优选的，所述混合喷头为细长结构，所述热气流环形腔体的高度和纤维通道的长度之比为1：2～2：3。
为了避免发生干涉问题，优选的，所述XY轴运动单元的X轴上设有两个动力输出端，分别装有热塑性材料挤出机构和连续纤维送料机构。
为了提高运行稳定性，优选的，所述XY轴运动单元采用滚珠丝杠结构，采用驱动电机作为动力源。
为了提高连续纤维送料机构运动的灵活性，优选的，所述连续纤维送料机构还包括安装在所述XY轴运动单元的动力输出端上的升降单元，所述安装座固定在该升降单元的动力输出端上。
为了使纤维和热塑性材料可以进行有效地混合，优选的，所述加热混合单元包括：
加热块，内部设有两进一出的混合通道；
热电偶，为加热块提供热源；
温敏电阻，检测并控制加热块的温度；
第一喉管，连接加热块和热塑性材料送料单元，是热塑性材料通道；
第二喉管，连接加热块和连续纤维送料单元，是连续纤维通道；
第一散热风扇，安装在第一喉管上；防止加热块温度上传，导致热塑性材料丝材在喉管内软化而堵塞喉管；
第二散热风扇，安装在第二喉管上。冷却第二喉管，防止加热块内的热塑性材料沿第二喉管内部通道溢出。
为了进一步提高打印效果，优选的，所述连续纤维送料机构还包括固定在安装座上的冷却风扇。加快已打印连续纤维热塑性材料的冷却速度。
为了实现热塑性材料的有效打印，优选的，所述热塑性材料挤出机构包括：挤出结构，优选采用齿轮副送料方式；挤出结构驱动动力源，优选采用步进电机；加热块，加热热塑性材料丝材至熔融状态；热电偶，为加热块提供热源；温敏电阻，检测并控制加热块的温度；喷头，安装在加热块下端，可根据需要更换不同喷嘴直径的喷头；喉管，连接加热块和挤出结构；散热风扇，安装在喉管上，防止加热块温度上传，导致热塑性材料丝材在喉管内软化而堵塞喉管；冷却风扇，加快已打印热塑性材料的冷却速度。
本发明的有益效果：
本发明的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备，将连续纤维与热塑性材料熔融沉积成型技术相结合，大幅提高热塑性材料增材制造结构件的力学性能，同时解决传统碳纤维复合材料结构件面临制造工艺复杂、生产周期较长、往往需要模具和难以实现复杂结构制造的难题；本发明设备还可实现热塑性材料与连续纤维分别可控打印，可实现整体结构件连续纤维体积分数可控可调；此外，本发明设备不仅具有传统增材制造设备层叠打印功能，还具有连续纤维缠绕打印的功能，从而可更加灵活的控制连续纤维的增强效果。
附图说明
图1是本发明的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备的整体结构示意图。
图2是图1中打印平台的结构示意图。
图3是图1中X轴运动单元的结构示意图。
图4是图1中连续纤维送料机构的结构示意图。
图5是图4中混合喷头的剖视示意图。
图6是热塑性材料挤出机构的工作过程示意图。
图7是连续纤维送料机构的工作过程示意图。
附图标记为：1.打印平台，2.热塑性材料挤出机构，3.X轴运动单元，4.Y轴运动单元，5.Z轴运动单元，6.连续纤维送料机构，7.升降单元，8.打印的结构件，11.安装架，12.翻转驱动电机，13.翻转驱动电机底座，14.成型托板，15.旋转驱动电机，16.翻转支架，21.加热块，22.散热风扇，23.热塑性材料丝材，24.挂板，25.冷却风扇，31.热塑性材料挤出机构驱动电机，32.滑块导轨，33.第二丝杠，34.连续纤维送料机构驱动电机，35.光杆，36.第二滑块，37.第一滑块，38.第一丝杠，301.热塑性材料丝材，302.连续纤维丝材，61.混合喷头，62.热电偶，63.温敏电阻，64.第一散热风扇，65.安装座，66.热塑性材料送料单元，67.驱动电机，68.挂板，69.第一喉管，601.第二喉管，602.第二散热风扇，603.热气流导管，6031.热气流环形腔体，6032.进气口，6033.出气口，611.纤维通道，81.热塑性材料打印结构件，82.连续纤维热塑性材料打印结构件。
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所示，本实施例的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备包括：打印平台1，热塑性材料挤出机构2，X轴运动单元3，Y轴运动单元4，Z轴运动单元5，连续纤维送料机构6和升降单元7。打印平台1安装在Z轴运动单元5上；连续纤维送料机构6安装在升降单元7上；热塑性材料挤出机构2及升降单元7分别安装在X轴运动单元3的两个动力输出端上。
如图2所示，打印平台1包括：安装架11，翻转驱动电机12，翻转驱动电机底座13，成型托板14，旋转驱动电机15和翻转支架16。翻转驱动电机12安装在安装架11上的翻转驱动电机底座13上，翻转支架16转动安装在安装架11上，一端与翻转驱动电机12相连；旋转驱动电机15安装在翻转支架16上，成型托板14在旋转驱动电机15的驱动下实现旋转运动，旋转驱动电机15连带成型托板14在翻转驱动电机12的驱动下实现翻转运动。
如图3所示，X轴运动单元，包括热塑性材料挤出机构驱动电机31，滑块导轨32，第二丝杠33，连续纤维送料机构驱动电机34，光杆35，第二滑块36，第一滑块37和第一丝杠38。第一丝杠38通过联轴器与热塑性材料挤出机构驱动电机31相连，第一滑块37安装在第一丝杠38上，另一端与滑块导轨32抵接；第一滑块37上设有两个通孔，第二丝杠33与光杆35分别穿过上述两个通孔；第二丝杠33通过联轴器与连续纤维送料机构驱动电机34相连；第二滑块36一端安装在第二丝杠33，另一端安装在光杆35上。
如图4所示，连续纤维送料机构包括混合喷头61，热电偶62，温敏电阻63，第一散热风扇64，安装座65，热塑性材料送料单元66，驱动电机67，挂板68，第一喉管69，第二喉管601，第二散热风扇602和热气流导管603；混合喷头61、热电偶62、温敏电阻63安装在加热块上；加热块通过第一喉管69与热塑性材料送料单元66连接；第一散热风扇64安装在第一喉管69上；第二喉管601安装在加热块上，第二散热风扇602安装在第二喉管601上；混合喷头61上设有热气流导管603；热塑性材料送料单元66通过安装座65安装在挂板68上。挂板68安装在升降单元7上，升降单元7安装在第二滑块36上。
如图5所示，混合喷头61内部设有热气流环形腔体6031和纤维通道611，热气流环形腔体6031设有进气口6032和出气口6033。热气流环形腔体6031长度与混合喷头61长度之比为3:5。
如图6所示，本实施例的热塑性材料挤出机构工作时，打印平台1的一种工位示意图。热塑性材料挤出机构包括：加热块21，散热风扇22，热塑性材料丝材23，挂板24，冷却风扇25，加热块上设有喷头、热电偶和温敏电阻；加热块通过喉管与热塑性材料挤出结构相连，散热风扇22安装在喉管上；冷却风扇25设置在喷头附近。
如图7所示，本实施例的连续纤维送料机构工作时，打印平台1的另一种工位示意图。在打印过程中，通过成型托板14翻转和旋转，实现多角度地缠绕，实现复杂连续纤维热塑性材料结构件的复合增材制造，特别是连续纤维热塑性材料回转体的复合增材制造。
综上所述，本实施例的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备，将连续纤维与热塑性材料熔融沉积成型技术相结合，大幅提高热塑性材料增材制造结构件的力学性能，同时解决传统碳纤维复合材料结构件面临制造工艺复杂、生产周期较长、往往需要模具和难以实现复杂结构制造的难题；还可实现热塑性材料与连续纤维分别可控打印，可实现整体结构件连续纤维体积分数可控可调；不仅具有传统增材制造设备层叠打印功能，还具有连续纤维缠绕打印的功能，从而可更加灵活的控制连续纤维的增强效果。
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)

1.一种连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备，包括：
工作台；
Z轴运动单元，安装在工作台上；
打印平台，安装在Z轴运动单元的动力输出端上；
XY轴运动单元，安装在工作台上；
热塑性材料挤出机构和连续纤维送料机构，安装在XY运动单元的动力输出端上且位于所述打印平台上方；
其特征在于，所述打印平台包括：
安装架，与所述Z轴运动单元的动力输出端连接；
翻转机构，装在安装架上；
旋转机构，安装在所述翻转机构上，旋转轴垂直翻转轴；
成型托板，安装在旋转机构上。
2.如权利要求1所述的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备，其特征在于，所述连续纤维送料机构包括：
安装座，安装在XY运动单元的动力输出端上；
热塑性材料送料单元，固定在安装座上；
连续纤维送料单元，固定在安装座上；
加热混合单元，连接所述热塑性材料送料单元和连续纤维送料单元用于连续纤维和热塑性材料融合，底部设有出料口；
混合喷头，与所述出料口连接。
3.如权利要求2所述的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备，其特征在于，所述混合喷头包括：
纤维通道，一端与所述出料口连通，另一端为喷口；
热气流环形腔体，设置在所述纤维通道外壁靠近喷口的位置，带有进气口以及出气口。
4.如权利要求3所述的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备，其特征在于，所述热气流环形腔体靠近所述喷口的一端开设环形的出气口。
5.如权利要求4所述的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备，其特征在于，所述热气流环形腔体的高度和纤维通道的长度之比为1：2～2：3。
6.如权利要求1所述的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备，其特征在于，所述XY轴运动单元的X轴上设有两个动力输出端，分别装有热塑性材料挤出机构和连续纤维送料机构。
7.如权利要求6所述的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备，其特征在于，所述XY轴运动单元采用滚珠丝杠结构，采用驱动电机作为动力源。
8.如权利要求2所述的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备，其特征在于，所述连续纤维送料机构还包括安装在所述XY轴运动单元的动力输出端上的升降单元，所述安装座固定在该升降单元的动力输出端上。
9.如权利要求1所述的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备，其特征在于，所述加热混合单元包括：
加热块，内部设有两进一出的混合通道；
热电偶，为加热块提供热源；
温敏电阻，检测并控制加热块的温度；
第一喉管，连接加热块和热塑性材料送料单元，是热塑性材料通道；
第二喉管，连接加热块和连续纤维送料单元，是连续纤维通道；
第一散热风扇，安装在第一喉管上；
第二散热风扇，安装在第二喉管上。
10.如权利要求1所述的连续纤维热塑性材料结构件复合增材制造设备，其特征在于，所述连续纤维送料机构还包括固定在安装座上的冷却风扇。
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