CN109177166A - 一种含有剪断机构的连续纤维增强复合材料3d打印装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含有剪断机构的连续纤维增强复合材料3D打印装置，包括进料接口模块、纤维与基体材料复合模块(3)、纤维剪断模块以及挤出喷嘴(6)。与现有技术相比，本发明实现了纤维与热塑性基体材料的复合，复合材料通过挤出后的层层堆积完成结构件的快速成型；最重要解决了纤维增强复合材料3D打印过程中纤维不可剪断的局限性问题，使纤维与基体材料可以基于所打印结构件的力流特征(主应力轨迹线)按需复合，体现成型结构件的各向异性，提高结构件实际工况下的力学性能。

Description

一种含有剪断机构的连续纤维增强复合材料3D打印装置
技术领域
本发明涉及复合材料3D打印技术领域，尤其是涉及一种含有剪断机构的连续纤维增强复合材料3D打印装置。
背景技术
纤维增强复合材料是由增强纤维材料，如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，与基体材料经过缠绕，模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料，具有比强度高、比模量大，成型工艺好等优点。在增材制造3D打印技术领域，将纤维与热塑性或热固性基体材料复合，通过层层堆积或层层固化的方式实现了结构件的快速成型，提高了成型结构件的力学性能，在未来制造业领域具有广阔的应用前景。
现有的连续纤维增强复合材料3D打印装置，主要是将纤维与树脂等热固性基体材料进行复合后层层固化进行打印，纤维与PLA或ABS等热塑性基体材料3D打印装置较少，而且现有连续纤维增强复合材料3D打印过程中，纤维一直保持连续供给且不能够剪断，无法实现基于打印结构件的力流特征(主应力轨迹线)将纤维按需与基体材料复合，导致打印的结构件的力学性能具有各向同性，与实际工况对纤维增强复合材料结构件力学性能要求的各项异性不符。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种含有剪断机构的连续纤维增强复合材料3D打印装置，旨在实现纤维与热塑性基体材料的复合，进而通过挤出后的层层堆积完成结构件的快速成型；最重要解决了纤维增强复合材料3D打印过程中纤维不可剪断的局限性问题，使纤维与基体材料可以基于所打印结构件的力流特征(主应力轨迹线)按需复合，体现成型结构件的各向异性，提高结构件实际工况下的力学性能。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种含有剪断机构的连续纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于，包括进料接口模块、纤维与基体材料复合模块、纤维剪断模块以及挤出喷嘴；纤维和基体材料通过进料接口模块分别进入纤维与基体材料复合模块进行复合，通过挤出喷嘴，在打印平台上堆积实现连续纤维增强复合材料打印，在打印过程中不需要加入纤维时，通过所述的纤维剪断模块剪断纤维，停止纤维材料的供给。
进一步地，所述的进料接口模块包括基体材料供给软管和连接头、纤维导管，基体材料供给软管一端与常用的3D打印送丝机构相连，另一端穿过连接头插入纤维与基体材料复合模块中，连接头连接纤维与基体材料复合模块的进料口，纤维导管一端与纤维供给机构相连，另一端插入纤维与基体材料复合模块中。
进一步地，所述的纤维与基体材料复合模块包括散热块和加热块两部分，散热块部分外部轴向等间距设置的多个散热片；加热块部分含有加热棒以及温度传感器。
进一步地，所述的纤维与基体材料复合模块内部有至少一个倾斜导料孔和一个竖直导料孔，所述的基体材料供给软管插入倾斜导料孔上部，所述的纤维导管插入竖直导料孔上部。
进一步地，所述的倾斜导料孔的倾斜角度为：与竖直方向的夹角为5～15°。
进一步地，所述的纤维与基体材料复合模块内部设置的倾斜导料孔为两个，两个倾斜导料孔与竖直导料孔在加热块内部交汇形成“三合一”空腔。
进一步地，所述的纤维与基体材料复合模块内部设置的倾斜导料孔为三个，三个倾斜导料孔沿圆周等分设置，与竖直导料孔交汇形成竖直“四合一”空腔。
进一步地，所述的加热块位于散热块下方，加热块与散热块为可拆卸式连接，且在加热块与散热块之间设有隔热片。
进一步地，所述的纤维剪断模块包括支架、驱动电机、主动齿轮、从动齿轮，上滚动轴承、下滚动轴承、圆盘、转动杆、固定刀片、运动刀片、压紧弹簧和复位弹簧；
进一步地，所述的支架通过螺栓固定于纤维与基体材料复合模块的加热块上；所述驱动电机安装在纤维与基体材料复合模块的散热块顶端伸出的平台上；所述主动齿轮与驱动电机连接；所述从动齿轮与转动杆固连，并与主动齿轮啮合；所述下滚动轴承和上滚动轴承分别安装于支架及散热块顶部平台上；所述圆盘偏心固定于转动杆底端；所述转动杆穿过下滚动轴承和上滚动轴承并由螺母固定；所述固定刀片和运动刀片放置在挤出喷嘴的凹槽中；所述压紧弹簧放置在挤出喷嘴的盲孔中；所述复位弹簧放置在加热块下部孔中。
进一步地，所述的挤出喷嘴中含有两层凹槽及三个带有沉孔的通孔和一个盲孔以及中间通孔，上层凹槽用于放置固定刀片，下层凹槽用于放置运动刀片，盲孔用于放置压紧弹簧，三个通孔用于螺栓与加热块部分的连接，中间通孔用于通过熔融后的材料。
进一步地，所述的固定刀片呈方块状，其一边上设有一半圆突出部，该半圆突出部分用于限制该固定刀片的径向运动，固定刀片上设有一个向下的刃口a；
进一步地，所述的运动刀片呈“L”状，包括竖直板块和水平板块，所述的竖直板块内侧与复位弹簧接触，外侧与圆盘接触，所述的水平板块置于下层凹槽中且其端部设有向上的刃口b。
与现有技术相比，本发明提出了一种出料可控的连续纤维增强复合材料3D打印装置，实现了纤维与热塑性基体材料复合后的连续打印，本发明所设计的弹刀剪切机构，能够在3D打印过程中剪断纤维，与材料供给复合机构协同工作，可以按需供给纤维，实现了挤出材料的各向异性，节省纤维材料的同时，提高了打印成型结构件的力学性能。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的纤维与基体材料复合模块的结构示意图；
图3为图2中的A-A向的剖视图；
图4为本发明的纤维剪断模块的结构示意图；
图5为本发明的挤出喷嘴的结构示意图；
图6为本发明纤维剪断模块中的固定刀片的结构示意图；
图7为本发明纤维剪断模块中运动刀片的结构示意图；
图8为本发明纤维剪断模块中转动杆的结构示意图；
附图标号说明：
1为基体材料供给软管；2为连接头；3为材料供给复合机构；4为温度传感器放置孔；5为加热棒放置孔；6为挤出喷嘴，61上层凹槽，62下层凹槽，63盲孔，64通孔，65中间通孔；7为压紧弹簧；8为固定刀片，81半圆突出部，82刃口a；9为运动刀片，91竖直板块，水92平板块，93刃口b；10为复位弹簧；11为圆盘；12为固定螺栓；13为滚动轴承；14为固定支架；15为转动杆；16为滚动轴承；17为从动齿轮；18为主动齿轮；19为驱动电机；20为锁紧螺母；21为纤维导管；22为连接螺栓。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种含有剪断机构的连续纤维增强复合材料3D打印装置，包括进料接口模块、纤维与基体材料复合模块3、纤维剪断模块以及挤出喷嘴6；进料接口模块起连接作用；纤维与基体材料复合模块，用于将基体材料线材熔融，并与纤维进行复合；纤维剪断模块，用于剪断纤维；挤出喷嘴，用于材料的挤出。
如图1和图3所示，所述的进料接口模块包括基体材料供给软管1和连接头2、纤维导管21，基体材料供给软管1一端与常用的3D打印送丝机构相连，另一端穿过连接头2插入纤维与基体材料复合模块3中，连接头2与纤维与基体材料复合模块3的进料口连接，纤维导管21一端与纤维供给机构相连，另一端插入纤维与基体材料复合模块3中。
如图2和图3所示，所述的纤维与基体材料复合模块3包括散热块和加热块两部分，散热块部分外部轴向等间距设置的多个散热片，便于散热；加热块部分含有加热棒以及温度传感器，加热棒插入加热棒放置孔5中，温度传感器插入温度传感器放置孔4中。加热棒用于加热熔融基体材料，温度传感器用于实时监测加热块部分的温度。所述的加热块位于散热块下方。
所述的纤维与基体材料复合模块3内部有两个倾斜角度为7°的倾斜导料孔和一个竖直导料孔，所述的基体材料供给软管1插入两个倾斜导料孔上部，用于通过线材状基体材料，所述的纤维导管21插入竖直导料孔上部，用于通过纤维材料；两个倾斜导料孔与竖直导料孔在加热块内部交汇形成“三合一”空腔。
如图4和图8所示，所述的纤维剪断模块包括支架14、驱动电机19、主动齿轮18、从动齿轮17，上滚动轴承16、下滚动轴承13、圆盘11、转动杆15、固定刀片8、运动刀片9、压紧弹簧7和复位弹簧10；所述的支架14通过固定螺栓12固定于纤维与基体材料复合模块3的加热块上，用于支撑转动杆15；所述驱动电机19安装在散热块顶端伸出的平台上；所述主动齿轮18与驱动电机19连接；所述从动齿轮17与转动杆15固连，并与主动齿轮18啮合；所述下滚动轴承13和上滚动轴承16分别安装于支架14及散热块顶部平台上，对转动杆15起支撑作用；所述圆盘11偏心固定于转动杆15底端；所述转动杆15穿过下滚动轴承13和上滚动轴承16并由锁紧螺母20固定；所述固定刀片8和运动刀片9放置在挤出喷嘴6的凹槽中，用于剪切纤维；所述压紧弹簧7放置在挤出喷嘴6的盲孔中，用于提供压紧力使固定刀片8和运动刀片9紧密贴合；所述复位弹簧10放置在加热块下部孔中，用于运动刀片9完成剪切工作后的复位。
如图5所示，所述的挤出喷嘴6中含有两层凹槽及三个带有沉孔的通孔和一个盲孔以及中间通孔，上层凹槽61用于放置固定刀片8，下层凹槽62用于放置运动刀片9，盲孔63用于放置压紧弹簧，三个通孔64用于连接螺栓22与加热块部分的连接，中间通孔65用于通过熔融后的材料。
如图6所示，所述的固定刀片8呈方块状，其一边上设有一半圆突出部81，该半圆突出部分81用于限制该固定刀片8的径向运动，固定刀片8上设有一个向下的刃口a82；
如图7所示，所述的运动刀片9呈“L”状，包括竖直板块91和水平板块92，所述的竖直板块91内侧与复位弹簧10接触，外侧与圆盘11接触，所述的水平板块92置于下层凹槽62中且其端部设有向上的刃口b93。
工作过程如下：
纤维供给机构将纤维输送到纤维导管21，送丝机构将基体材料线材输送到基体材料供给软管(1)，基体材料通过两个倾斜导料孔被输送到加热块内部，加热块由加热棒加热，温度传感器可实时监测加热块温度，温度到达基体材料的熔点后，基体材料熔融，然后与竖直导料孔中的纤维复合，形成纤维增强复合材料，复合材料从挤出头喷嘴6挤出，在打印平台上堆积实现连续纤维增强复合材料打印；
当打印过程中不需要加入纤维时，需要剪断纤维，此时，驱动电机19带动主动齿轮18转动，主动齿轮18带动从动齿轮17转动一圈，进而固定有圆盘11的转动杆15转动一圈，偏心圆盘11转动后推动运动刀片9，复位弹簧10被压缩，运动刀片9和固定刀片8形成的剪切力完成对纤维的剪断，剪断后，复位弹簧10自动反弹将运动刀片9复位，完成一次纤维剪断工作；
纤维被剪断后，纤维供给机构停止对纤维的供给工作，限制其被熔融后基体材料流体挤出；当打印过程中再次需要加入纤维时，纤维供给机构再次进行供给纤维工作，纤维与熔融后的基体材料复合，再次形成纤维增强复合材料，通过喷嘴挤出。
实施例2
所述的纤维与基体材料复合模块(3)内部设置的倾斜导料孔为三个，三个倾斜导料孔沿圆周等分设置，与竖直导料孔交汇形成竖直“四合一”空腔。
所述的倾斜导料孔的倾斜角度为：与竖直方向的夹角为5°，加热块与散热块为可拆卸式连接，且在加热块与散热块之间设有隔热片。其余同实施例1。
实施例3
所述的倾斜导流孔的数量为1个，倾斜角度为15°，其余同实施例1。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种含有剪断机构的连续纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于，包括进料接口模块、纤维与基体材料复合模块(3)、纤维剪断模块以及挤出喷嘴(6)；纤维和基体材料通过进料接口模块分别进入纤维与基体材料复合模块(3)进行复合，通过挤出喷嘴(6)，在打印平台上堆积实现连续纤维增强复合材料打印，在打印过程中不需要加入纤维时，通过所述的纤维剪断模块剪断纤维，停止纤维材料的供给。
2.根据权利要求1所述的含有剪断机构的连续纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于，所述的进料接口模块包括基体材料供给软管(1)和连接头(2)、纤维导管(21)，基体材料供给软管(1)一端与常用的3D打印送丝机构相连，另一端穿过连接头(2)插入纤维与基体材料复合模块(3)中，连接头(2)连接纤维与基体材料复合模块(3)的进料口，纤维导管(21)一端与纤维供给机构相连，另一端插入纤维与基体材料复合模块(3)中。
3.根据权利要求1所述的含有剪断机构的连续纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于，所述的纤维与基体材料复合模块(3)包括散热块和加热块两部分，散热块部分外部轴向等间距设置的多个散热片；加热块部分含有加热棒以及温度传感器。
4.根据权利要求2或3所述的含有剪断机构的连续纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于，所述的纤维与基体材料复合模块(3)内部有至少一个倾斜导料孔和一个竖直导料孔，所述的基体材料供给软管(1)插入倾斜导料孔上部，所述的纤维导管(21)插入竖直导料孔上部。
5.根据权利要求4所述的含有剪断机构的连续纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于，所述的倾斜导料孔的倾斜角度为：与竖直方向的夹角为5～15°。
6.根据权利要求4所述的含有剪断机构的连续纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于，所述的纤维与基体材料复合模块(3)内部设置的倾斜导料孔为两个，两个倾斜导料孔与竖直导料孔在加热块内部交汇形成“三合一”空腔。
7.根据权利要求4所述的含有剪断机构的连续纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于，所述的纤维与基体材料复合模块(3)内部设置的倾斜导料孔为三个，三个倾斜导料孔沿圆周等分设置，与竖直导料孔交汇形成竖直“四合一”空腔。
8.根据权利要求3所述的含有剪断机构的连续纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于，所述的加热块位于散热块下方，加热块与散热块为可拆卸式连接，且在加热块与散热块之间设有隔热片。
9.根据权利要求1或3所述的含有剪断机构的连续纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于，所述的纤维剪断模块包括支架(14)、驱动电机(19)、主动齿轮(18)、从动齿轮(17)，上滚动轴承(16)、下滚动轴承(13)、圆盘(11)、转动杆(15)、固定刀片(8)、运动刀片(9)、压紧弹簧(7)和复位弹簧(10)；
所述的支架(14)通过螺栓固定于纤维与基体材料复合模块(3)的加热块上；所述驱动电机(19)安装在纤维与基体材料复合模块(3)的散热块顶端伸出的平台上；所述主动齿轮(18)与驱动电机(19)连接；所述从动齿轮(17)与转动杆(15)固连，并与主动齿轮(18)啮合；所述下滚动轴承(13)和上滚动轴承(16)分别安装于支架(14)及散热块顶部平台上；所述圆盘(11)偏心固定于转动杆(15)底端；所述转动杆(15)穿过下滚动轴承(13)和上滚动轴承(16)并由螺母固定；所述固定刀片(8)和运动刀片(9)放置在挤出喷嘴(6)的凹槽中；所述压紧弹簧(7)放置在挤出喷嘴(6)的盲孔中；所述复位弹簧(10)放置在加热块下部孔中。
10.根据权利要求9所述的含有剪断机构的连续纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于，所述的挤出喷嘴(6)中含有两层凹槽及三个带有沉孔的通孔和一个盲孔以及中间通孔，上层凹槽(61)用于放置固定刀片(8)，下层凹槽(62)用于放置运动刀片(9)，盲孔(63)用于放置压紧弹簧，三个通孔(64)用于螺栓与加热块部分的连接，中间通孔(65)用于通过熔融后的材料。
11.根据权利要求9或10所述的含有剪断机构的连续纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于，所述的固定刀片(8)呈方块状，其一边上设有一半圆突出部(81)，该半圆突出部分(81)用于限制该固定刀片(8)的径向运动，固定刀片(8)上设有一个向下的刃口a(82)；
所述的运动刀片(9)呈“L”状，包括竖直板块(91)和水平板块(92)，所述的竖直板块(91)内侧与复位弹簧(10)接触，外侧与圆盘(11)接触，所述的水平板块(92)置于下层凹槽(62)中且其端部设有向上的刃口b(93)。
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