CN110370631A - 一种层间增强复合材料3d打印装置 - Google Patents

一种层间增强复合材料3d打印装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种层间增强复合材料3D打印装置，包括打印模块和纤维铺放模块，层间增强复合材料3D打印装置安装在3D打印机运动执行机构末端，可沿X轴、Y轴和Z轴移动，其中打印模块负责打印模型轮廓及填充，纤维铺放模块负责短纤维层间铺放；本发明实现了短纤维铺放层间增强的复合材料3D打印，通过控制纤维铺放模块振动频率、振幅和网筛的筛网孔径，实现不同长度短纤维的均匀定量精确铺放。本发明的复合材料3D打印装置可以有效提升纤维增强树脂基复合材料的层间性能，实现纤维增强复合材料的高性能、高精度、低成本3D打印成形。

Description

一种层间增强复合材料3D打印装置
技术领域
本发明涉及一种层间增强复合材料3D打印装置，属于复合材料与增材制造的交叉技术领域。
背景技术
纤维增强复合材料作为新一代先进复合材料，具有比模量高、比强度高，可设计性强等特性，广泛应用于航天飞行器、飞机、汽车、船舶和医疗等领域；传统纤维增强复合材料构件制造工艺过程复杂、手工和半自动工艺较多、生产周期长、制造成本高，无法满足日益增长的使用需求；3D打印技术是将原材料采用逐层累加的方法制造零件的技术，相较于传统复合材料制造技术具有不需要模具、刀具、夹具及其它加工工序，直接利用三维设计数据在设备上精确快速制造任意复杂结构的特点，缩短了制造周期、降低了制造成本。
但目前经3D打印技术制造的纤维增强复合材料构件层间性能差、纤维含量低的问题尚未解决。因此本发明提出了一种层间增强复合材料3D打印装置，通过在打印层之间精确均匀定量铺放短纤维，实现构件层与层之间结合界面的纤维增强，可有效提升纤维增强复合材料构件的层间性能，同时也提升了整体构件的纤维含量，从而实现了纤维增强复合材料的整体力学性能提升。
发明内容
为解决以上技术中存在的问题，本发明提出了一种层间增强复合材料3D打印装置，可实现短纤维的均匀定量精确铺放，有效提升复合材料构件的层间力学性能和纤维含量。
为了达到上述的目的，本发明采用如下的技术方案：
一种层间增强复合材料3D打印装置，其特征在于，包括打印模块(1)和纤维铺放模块(2)，所述的打印模块为树脂或预浸树脂连续纤维3D打印喷头，实现构件模型截面轮廓及填充的打印；打印模块(1)和纤维铺放模块(2)通过固定板(3)连接保证相对位置不变，固定板(3)与运动执行机构的执行末端连接，可实现复合材料3D打印头随运动执行机构末端沿X轴、Y轴和Z轴移动。所述的纤维铺放模块(2)包括振动机桶(4)、驱动电机(5)、轴承(6)、网筛(7)、振动块(8)、复位机构(9)、上对射传感器(10)、下对射传感器(11)、送料管(12)、打印丝材(13)。
进一步地，所述的层间增强复合材料3D打印装置，短纤维铺放3D打印过程包括以下步骤：
①层间增强复合材料3D打印装置的打印模块(1)在3D打印机运动执行机构的带动和G代码的驱动下，在打印平台上首先打印一层构件模型轮廓及填充；
②构件模型的一层轮廓及填充打印完毕后，打印模块(1)送丝暂停，在程序控制下启动纤维铺放模块(2)，驱动电机(5)带动振动块(8)开始转动，在振动块(8)与复位机构(9)的共同作用下，带动网筛(7)直线振动；
③在3D打印机运动执行机构的带动和G代码的驱动下，纤维铺放模块(2)沿模型轮廓和填充路径均匀铺放短纤维于步骤②打印完成的轮廓层截面上，铺放完毕后驱动电机(5)暂停工作；
④送料管(12)的另一端与真空供料机相连，当下对射传感器(11)未检测到短纤维时，传感器将信号传递给控制器，控制器输出控制信号控制真空供料机开始供料，当上对射传感器(10)检测到短纤维时,控制器输出控制信号控制真空供料机停止供料，保证网筛(7)中短纤维的实时存在；
⑤重复步骤①～步骤③，直至构件模型打印完成。
进一步地，所述的打印模块(1)和纤维铺放模块(2)可以是独立系统或者集成系统中的一种。
进一步地，所述的网筛(7)含有与上对射传感器(10)和下对射传感器(11)连接的安装孔以及和振动块(8)柱面接触的法兰。
进一步地，所述的复位机构(9)为拉力弹簧，保证网筛(7)伴随振动块(8)的转动而振动。
进一步地，通过调节驱动电机(5)的转速控制网筛(7)的振动频率；通过改变振动块(8)的偏心距控制网筛(7)的振幅。
进一步地，所述的打印丝材(13)通过张力调节装置实时调节张力，丝材一端送入打印模块(1)的进料口，保证打印模块(1)工作时丝材处于张紧状态。
通过本发明的技术方案，相比于现有技术可以实现以下有益效果：
不同于传统的3D打印装置，本发明实现了短纤维铺放层间增强复合材料3D打印，可实现不同长度短纤维的均匀定量精确铺放，并不对已成型表面进行破坏，本发明的3D打印装置可以有效提升纤维增强树脂基复合材料的层间性能，实现纤维增强复合材料的高性能、高精度、低成本3D打印成形。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的复合材料3D打印短纤维铺放喷头工作示意图。
图2为本发明的复合材料3D打印短纤维铺放喷头整体结构示意图。
图3为本发明的复合材料3D打印短纤维铺放喷头整体结构侧视图。
图4为本发明的复合材料3D打印短纤维铺放喷头整体结构A-A方向剖视图。
图5为本发明的纤维铺放模块侧视图。
图6为本发明的纤维铺放模块B-B剖视图。
图7为本发明振动块的模型示意图。
1—打印模块，2—纤维铺放模块，3—固定板，4—振动机桶，5—驱动电机，6—轴承，7—网筛，8—振动块，9—复位机构，10—上对射传感器，11—下对射传感器，12—送料管，13—打印丝材，14—短纤维。
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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1所示，一种层间增强复合材料3D打印装置，包括打印模块(1)和纤维铺放模块(2)，所述的打印模块为树脂或预浸树脂连续纤维3D打印喷头，实现构件模型轮廓及填充的打印；打印模块(1)和纤维铺放模块(2)通过固定板(3)连接保证相对位置不变，固定板(3)与运动执行机构的执行末端连接，可实现复合材料3D打印头随运动执行机构末端沿X轴、Y轴和Z轴移动。
参照图3—图7，纤维铺放模块(2)包括振动机桶(4)、驱动电机(5)、轴承(6)、网筛(7)、振动块(8)、复位机构(9)、上对射传感器(10)、下对射传感器(11)、送料管(12)、打印丝材(13)；所述的振动机桶(4)通过螺栓与固定板(3)连接，驱动电机(5)通过螺栓与振动机桶(4)支架连接，驱动电机(5)主轴穿过振动机桶(4)侧壁孔并与孔内轴承(6)配合，驱动电机(5)主轴与振动块(8)和复位机构(9)一端连接，其中复位机构(9)在振动块(8)和振动机桶(4)内壁之间，保证复位机构(9)不会脱落，复位机构(9)另一端与网筛(7)的法兰连接，保证复位机构(9)的弹簧时刻处于拉伸状态；上对射传感器(10)和下对射传感器(11)分别安装在网筛(7)的上部和下部用于检测网筛内短纤维的存在，送料管(12)通过连接头与网筛(7)进料口连接。
所述的层间增强复合材料3D打印装置，短纤维铺放3D打印过程包括以下步骤：
①层间增强复合材料3D打印装置的打印模块(1)在3D打印机运动执行机构的带动和G代码的驱动下，在打印平台上首先打印一层构件模型轮廓及填充；
②构件模型的一层轮廓及填充打印完毕后，打印模块(1)送丝暂停，在程序控制下启动纤维铺放模块(2)，驱动电机(5)带动振动块(8)开始转动，在振动块(8)与复位机构(9)的共同作用下，带动网筛(7)直线振动；
③在3D打印机运动执行机构的带动和G代码的驱动下，纤维铺放模块(2)沿模型轮廓和填充路径均匀铺放短纤维于步骤②打印完成的轮廓层截面上，铺放完毕后驱动电机(5)暂停工作；
④送料管(12)的另一端与真空供料机相连，当下对射传感器(11)未检测到短纤维时，传感器将信号传递给控制器，控制器输出控制信号控制真空供料机开始供料，当上对射传感器(10)检测到短纤维时,控制器输出控制信号控制真空供料机停止供料，保证网筛(7)中短纤维的实时存在；
⑤重复步骤①～步骤③，直至构件模型打印完成。
所述的打印模块(1)和纤维铺放模块(2)可以是独立系统或者集成系统中的一种。
所述的网筛(7)含有与上对射传感器(10)和下对射传感器(11)连接的安装孔以及和振动块(8)柱面接触的法兰。
所述的复位机构(9)为拉力弹簧，保证网筛(7)伴随振动块(8)的转动而振动。
所述的短纤维增强复合材料3D打印头，通过调节驱动电机(5)的转速控制网筛(7)的振动频率；通过改变振动块(8)的偏心距控制网筛(7)的振幅。
可选地，所述的打印丝材(13)通过张力调节装置实时调节张力，丝材一端送入打印模块(1)的进料口，保证打印模块(1)工作时丝材处于张紧状态。
可选地，所述的打印丝材(13)可以是预混短纤维的树脂丝材、预浸树脂的连续纤维丝材、预混短纤维与连续纤维的树脂丝材和普通树脂丝材中的一种。
可选地，所述的振动块(8)可以是椭圆块或偏心圆块中的任何一种。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的特征和步骤的数字表达式和数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通人员已知的技术和方法可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和方法应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种层间增强复合材料3D打印装置，其特征在于，包括打印模块(1)和纤维铺放模块(2)，所述的打印模块为树脂或预浸树脂连续纤维3D打印喷头，实现构件模型截面轮廓及填充的打印；打印模块(1)和纤维铺放模块(2)通过固定板(3)连接保证相对位置不变，固定板(3)与运动执行机构的执行末端连接，可实现复合材料3D打印头随运动执行机构末端沿X轴、Y轴和Z轴移动；所述的纤维铺放模块(2)包括振动机桶(4)、驱动电机(5)、轴承(6)、网筛(7)、振动块(8)、复位机构(9)、上对射传感器(10)、下对射传感器(11)、送料管(12)、打印丝材(13)。
2.根据权利要求1所述的层间增强复合材料3D打印装置，其特征在于，短纤维铺放3D打印过程包括以下步骤：
①层间增强复合材料3D打印装置的打印模块(1)在3D打印机运动执行机构的带动和G代码的驱动下，在打印平台上首先打印一层构件模型轮廓及填充；
②构件模型的一层轮廓及填充打印完毕后，打印模块(1)送丝暂停，在程序控制下启动纤维铺放模块(2)，驱动电机(5)带动振动块(8)开始转动，在振动块(8)与复位机构(9)的共同作用下，带动网筛(7)直线振动；
③在3D打印机运动执行机构的带动和G代码的驱动下，纤维铺放模块(2)沿模型轮廓和填充路径均匀铺放短纤维于步骤②打印完成的轮廓层截面上，铺放完毕后驱动电机(5)暂停工作；
④送料管(12)的另一端与真空供料机相连，当下对射传感器(11)未检测到短纤维时，传感器将信号传递给控制器，控制器输出控制信号控制真空供料机开始供料，当上对射传感器(10)检测到短纤维时,控制器输出控制信号控制真空供料机停止供料，保证网筛(7)中短纤维的实时存在；
⑤重复步骤①～步骤③，直至构件模型打印完成。
3.根据权利要求1所述的层间增强复合材料3D打印装置，其特征在于，所述的打印模块(1)和纤维铺放模块(2)可以是独立系统或者集成系统中的一种。
4.根据权利要求1所述的层间增强复合材料3D打印装置，其特征在于，所述的网筛(7)含有与上对射传感器(10)和下对射传感器(11)连接的安装孔以及和振动块(8)柱面接触的法兰。
5.根据权利要求1所述的层间增强复合材料3D打印装置，其特征在于，所述的复位机构(9)为拉力弹簧，保证网筛(7)伴随振动块(8)的转动而振动。
6.根据权利要求2所述的层间增强复合材料3D打印装置，其特征在于，通过调节驱动电机(5)的转速控制网筛(7)的振动频率；通过改变振动块(8)的偏心距控制网筛(7)的振幅。
7.根据权利要求2所述的层间增强复合材料3D打印装置，其特征在于，所述的打印丝材(13)通过张力调节装置实时调节张力，丝材一端送入打印模块(1)的进料口，保证打印模块(1)工作时丝材处于张紧状态。
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