CN112140529A - 一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置 - Google Patents

一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置，属于复合材料快速成型设备技术领域。包括装置框架结构、芯模装夹驱动装置、纤维打印喷头、树脂打印喷头、喷头位置姿态调节装置和材料挤出打印装置；芯模装夹驱动装置上方的装置框架结构分别通过喷头位置姿态调节装置与纤维打印喷头和树脂打印喷头连接，纤维打印喷头和树脂打印喷头分别与材料挤出打印装置连接。本发明通过双喷头位置姿态调节装置与芯模装夹驱动装置联动控制，实现纤维材料与基体材料在回转曲面上沿着设定的曲线路径与喷头姿态进行铺放，保证了纤维和基体材料铺放质量，提高了增材制造的回转类曲面结构复合材料零件的强度和纤维力学性能的利用率。

Description

一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置
技术领域
本发明涉及一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置，属于复合材料快速成型设备技术领域。
背景技术
传统的基于熔融沉积技术FDM原理的3D打印机通常采用单一热塑性的树脂材料打印成型零件，受材料力学性能约束，往往强度较低，不适于需要具有较大承载力的应用领域。纤维增强复合材料具有比强度、比模量高的突出优点，将3D打印技术与纤维增强复合材料成型工艺相结合，能够很大程度上克服单一组分材料力学性能低的缺陷。近年来，复合材料3D打印技术取得快速发展，其中连续纤维增强的复合材料3D打印工艺，打印成型的复合材料零件力学性能好，成型质量稳定，已在汽车、航空等领域取得较广泛应用。
目前，连续纤维增强的复合材料3D打印机采用传统的平面切片方法，增强纤维被约束在一平面内，只有在平面方向具有增强效果。当打印薄壁回转类曲面结构零件时，纤维无法沿着曲面进行铺放，纤维力学性能利用率低，零件在曲面方向力学性能差。
发明内容
本发明的目的是为解决如何能够在曲面上进行连续纤维铺放，进行复合材料增材制造的技术问题，解决现有技术中连续纤维复合材料3D打印机打印薄壁回转类曲面零件时纤维力学性能利用率低的缺陷的技术问题。
为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置，包括装置框架结构、芯模装夹驱动装置、纤维打印喷头、树脂打印喷头、喷头位置姿态调节装置和材料挤出打印装置；所述装置框架结构设有的底板上设有芯模装夹驱动装置；芯模装夹驱动装置上方的装置框架结构分别通过喷头位置姿态调节装置与纤维打印喷头和树脂打印喷头连接，纤维打印喷头和树脂打印喷头分别与材料挤出打印装置连接。
优选地，所述装置框架结构包括底板、左右支撑立柱和水平线性模组；底板上垂直设有左右支撑立柱，左右支撑立柱之间设有平行于底板平面的水平线性模组。
优选地，所述芯模装夹驱动装置包括所述底板上设有的两根相互平行的底部线性模组，底部线性模组垂直于所述水平线性模组；两根底部线性模组之间设有底部线性模组连接板，底部线性模组连接板上垂直设有主动端立柱和从动端立柱；主动端立柱和从动端立柱之间设有用于夹持芯模的夹持机构。
优选地，所述从动端立柱通过芯模横向移动线性模组与所述底部线性模组连接板活动连接；所述主动端立柱远离底部线性模组连接板的一端设有主动端四爪卡盘，主动端四爪卡盘与伺服电机连接；所述从动端立柱远离底部线性模组连接板的一端设有与主动端四爪卡盘相对应的从动端四爪卡盘。
优选地，所述喷头位置姿态调节装置包括与装置框架结构的水平线性模组连接的水平线性模组滑块；水平线性模组滑块上垂直设有两套相互平行的喷头切换线性模组，喷头切换线性模组通过喷头切换线性模组滑块分别设有用于调整纤维打印喷头和树脂打印喷头位置姿态的喷头调节机构。
优选地，所述喷头调节机构包括垂直转轴固定板、垂直转轴驱动电机、水平转轴固定板和水平转轴驱动电机；喷头切换线性模组滑块与L形的垂直转轴固定板的一面连接，L形的垂直转轴固定板的另一面上穿设有垂直转轴驱动电机；垂直转轴驱动电机设有的垂直转轴与L形的水平转轴固定板的一面连接，L形的水平转轴固定板的另一面上穿设有水平转轴驱动电机，水平转轴驱动电机设有的水平转轴与喷头连接。
优选地，所述材料挤出打印装置包括纤维打印模块、树脂打印模块和材料固定模块；所述纤维打印模块包括纤维挤出电机、纤维加热挤出单元、纤维打印喷头和散热风扇一；纤维挤出电机通过纤维加热挤出单元与纤维打印喷头连接；纤维加热挤出单元上设有散热风扇一；所述纤维打印模块与一侧的水平转轴驱动电机连接。
优选地，所述树脂打印模块包括树脂挤出电机、树脂加热挤出单元、树脂打印喷头和散热风扇二；树脂挤出电机通过树脂加热挤出单元与树脂打印喷头连接；树脂加热挤出单元上设有散热风扇一；所述的树脂打印模块与另一侧的水平转轴驱动电机连接。
优选地，所述材料固定模块包括纤维材料盘、树脂材料盘和材料盘旋转轴，所述纤维材料盘和树脂材料盘中设有用于方便放料的材料盘旋转轴，所述纤维材料盘和树脂材料盘设于所述装置框架结构的水平线性模组上。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明通过双喷头位置姿态调节装置与芯模装夹驱动装置联动控制，实现纤维材料与基体材料在回转曲面上沿着设定的曲线路径与喷头姿态进行铺放，保证了纤维和基体材料铺放质量，提高了增材制造的回转类曲面结构复合材料零件的强度和纤维力学性能的利用率。
附图说明
图1为本发明一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置结构示意图；
图2为本发明一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置的芯模装夹驱动装置的结构示意图；
图3为本发明一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置的喷头位置姿态调节装置的结构示意图；
附图标记：1.芯模装夹驱动装置；2.材料挤出打印装置；3.水平线性模组；4.材料盘旋转轴；5.树脂材料盘；6.树脂材料；7.纤维材料；8.纤维材料盘；9.支撑立柱；10.底板；1-1.底部线性模组；1-2.底部线性模组连接板；1-3.主动端立柱；1-4.伺服电机；1-5.主动端连接法兰轴；1-6.主动端四爪卡盘；1-7.芯模；1-8.从动端四爪卡盘；1-9.从动端连接法兰轴；1-10.从动端轴承座；1-11.从动端立柱；1-12.芯模横向移动线性模组；2-1.树脂加热挤出单元；2-2.树脂打印喷头；2-3.树脂挤出电机；2-4.水平转轴驱动电机；2-5.水平转轴固定板；2-6.垂直转轴固定板；2-7.垂直转轴驱动电机；2-8.喷头切换线性模组滑块；2-9.喷头切换线性模组；2-10.水平线性模组滑块；2-11.纤维挤出电机；2-12.纤维加热挤出单元；2-13.散热风扇一；2-14.纤维打印喷头。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：
如图1-3所示，本发明提供一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置，包括装置框架结构、芯模装夹驱动装置1、纤维打印喷头2-14、树脂打印喷头2-2、喷头位置姿态调节装置和材料挤出打印装置2；装置框架结构设有的底板10上设有芯模装夹驱动装置1；芯模装夹驱动装置1上方的装置框架结构分别通过喷头位置姿态调节装置与纤维打印喷头2-14和树脂打印喷头2-2连接，纤维打印喷头2-14和树脂打印喷头2-2分别与材料挤出打印装置连接。装置框架结构包括底板10、左右支撑立柱9和水平线性模组3；底板10上垂直设有左右支撑立柱9，左右支撑立柱9之间设有平行于底板10平面的水平线性模组3。芯模装夹驱动装置1包括底板10上设有的两根相互平行的底部线性模组1-1，底部线性模组1-1垂直于水平线性模组3；两根底部线性模组1-1之间设有底部线性模组连接板1-2，底部线性模组连接板1-2上垂直设有主动端立柱1-3和从动端立柱1-11；主动端立柱1-3和从动端立柱1-11之间设有用于夹持芯模1-7的夹持机构。从动端立柱1-11通过芯模横向移动线性模组1-12与底部线性模组连接板1-2活动连接；主动端立柱1-3远离底部线性模组连接板1-2的一端设有主动端四爪卡盘1-6，主动端四爪卡盘1-6通过主动端连接法兰轴1-5与伺服电机1-4连接；从动端立柱1-11远离底部线性模组连接板1-2的一端设有与主动端四爪卡盘1-6相对应的从动端四爪卡盘1-8。从动端四爪卡盘1-8通过从动端连接法兰轴1-9与固定在从动端立柱1-11上的从动端轴承座1-10固定连接。喷头位置姿态调节装置包括与装置框架结构的水平线性模组3连接的水平线性模组滑块2-10；水平线性模组滑块2-10上垂直设有两套相互平行的喷头切换线性模组2-9，喷头切换线性模组2-9通过喷头切换线性模组滑块2-8分别设有用于调整纤维打印喷头2-14和树脂打印喷头2-2位置姿态的喷头调节机构。喷头调节机构包括垂直转轴固定板2-6、垂直转轴驱动电机2-7、水平转轴固定板2-5和水平转轴驱动电机2-4；喷头切换线性模组滑块2-8与L形的垂直转轴固定板2-6的一面连接，L形的垂直转轴固定板2-6的另一面上穿设有垂直转轴驱动电机2-7；垂直转轴驱动电机2-7设有的垂直转轴与L形的水平转轴固定板2-5的一面连接，L形的水平转轴固定板2-5的另一面上穿设有水平转轴驱动电机2-4，水平转轴驱动电机2-4设有的水平转轴与喷头连接。材料挤出打印装置2包括纤维打印模块、树脂打印模块和材料固定模块；纤维打印模块包括纤维挤出电机2-11、纤维加热挤出单元2-12、纤维打印喷头2-14和散热风扇一2-13；纤维挤出电机2-11通过纤维加热挤出单元2-12与纤维打印喷头2-14连接；纤维加热挤出单元2-12上设有散热风扇一2-13；纤维打印模块与一侧的水平转轴驱动电机连接。树脂打印模块包括树脂挤出电机2-3、树脂加热挤出单元2-1、树脂打印喷头2-2和散热风扇二；树脂挤出电机2-3通过树脂加热挤出单元2-1与树脂打印喷头2-2连接；树脂加热挤出单元2-1上设有散热风扇一；树脂打印模块与另一侧的水平转轴驱动电机连接。材料固定模块包括纤维材料盘8、树脂材料盘5和材料盘旋转轴4，纤维材料盘8和树脂材料盘5中设有用于方便释放出纤维材料7和树脂材料6的材料盘旋转轴4，纤维材料盘8和树脂材料盘5设于装置框架结构的水平线性模组3上。
本发明针对现有的连续纤维增强复合材料纤维力学性能利用率低的缺点，提出一种能够在曲面上进行连续纤维铺放的复合材料增材制造装置。复合材料增材制造装置包括设置在装置框架上的双喷头位置姿态调节装置和芯模装夹驱动装置1，材料挤出打印装置2设置在双喷头位置姿态调节装置，如图1所示，为增材制造装置在曲面芯模上打印纤维的工作情况。
如图3所示，双喷头位置姿态调节装置包括设置在水平线性模组上的两套喷头切换线性模组2-9，喷头姿态调节装置设置在喷头切换线性模组滑块2-8上；水平线性模组滑块10实现两个喷头水平方向上的移动功能，喷头切换线性模组2-9实现纤维打印模块与树脂打印模块的位置切换，同时根据打印层厚与曲面轮廓调整垂直方向的位置；喷头姿态调节装置通过水平转轴驱动电机2-4与垂直转轴驱动电机2-7，调节打印喷头的姿态；通过水平线性模组3、喷头切换线性模组2-9与喷头姿态调节装置联动控制，实现喷头沿着设计曲线轨迹运动，同时保持打印喷头与曲面接触点实时垂直。
如图1所示，材料挤出打印装置包括设置在喷头姿态调节装置上的纤维打印模块和树脂打印模块，及设置在水平线性模组3上的材料固定模块；材料固定模块包括设置在材料盘旋转轴4上的树脂材料盘5与纤维材料盘8，树脂材料盘5与纤维材料盘8可以根据打印喷头的运动自动调整姿态，保证供料稳定；纤维打印模块实现预浸连续纤维材料7的加热控温、挤出打印与纤维切断功能；树脂打印模块实现树脂材料6的加热控温、挤出打印功能。
如图2所示，芯模装夹驱动装置1包括设置在装置框架底板10上的两套底部线性模组1-1，和设置在底部线性模组连接板1-2上的芯模1-7的旋转装置，底部线性模组1-1实现芯模1-7与打印喷头前后位置调节；芯模旋转装置包括驱动芯模旋转运动的伺服电机1-4，曲面芯模通过四爪卡盘实现定心装夹固定，从动端四爪卡盘1-6通过从动端立柱1-11与芯模横向移动线性模组滑块连接，通过芯模横向移动线性模组1-12调节两个四爪卡盘的距离，方便芯摸拆装及适应不同长度的芯模固定，图2为芯模装夹驱动装置结构示意图。
本发明通过双喷头位置姿态调节装置与芯模装夹驱动装置联动控制，实现纤维材料与基体材料在回转曲面上沿着设定的曲线路径与喷头姿态进行铺放，保证了纤维和基体材料铺放质量，提高了增材制造的回转类曲面结构复合材料零件的强度和纤维力学性能的利用率。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置，其特征在于：包括装置框架结构、芯模装夹驱动装置、纤维打印喷头、树脂打印喷头、喷头位置姿态调节装置和材料挤出打印装置；所述装置框架结构设有的底板上设有芯模装夹驱动装置；芯模装夹驱动装置上方的装置框架结构分别通过喷头位置姿态调节装置与纤维打印喷头和树脂打印喷头连接，纤维打印喷头和树脂打印喷头分别与材料挤出打印装置连接。
2.如权利要求1所述的一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置，其特征在于：所述装置框架结构包括底板、左右支撑立柱和水平线性模组；底板上垂直设有左右支撑立柱，左右支撑立柱之间设有平行于底板平面的水平线性模组。
3.如权利要求2所述的一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置，其特征在于：所述芯模装夹驱动装置包括所述底板上设有的两根相互平行的底部线性模组，底部线性模组垂直于所述水平线性模组；两根底部线性模组之间设有底部线性模组连接板，底部线性模组连接板上垂直设有主动端立柱和从动端立柱；主动端立柱和从动端立柱之间设有用于夹持芯模的夹持机构。
4.如权利要求3所述的一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置，其特征在于：所述从动端立柱通过芯模横向移动线性模组与所述底部线性模组连接板活动连接；所述主动端立柱远离底部线性模组连接板的一端设有主动端四爪卡盘，主动端四爪卡盘与伺服电机连接；所述从动端立柱远离底部线性模组连接板的一端设有与主动端四爪卡盘相对应的从动端四爪卡盘。
5.如权利要求4所述的一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置，其特征在于：所述喷头位置姿态调节装置包括与装置框架结构的水平线性模组连接的水平线性模组滑块；水平线性模组滑块上垂直设有两套相互平行的喷头切换线性模组，喷头切换线性模组通过喷头切换线性模组滑块分别设有用于调整纤维打印喷头和树脂打印喷头位置姿态的喷头调节机构。
6.如权利要求5所述的一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置，其特征在于：所述喷头调节机构包括垂直转轴固定板、垂直转轴驱动电机、水平转轴固定板和水平转轴驱动电机；喷头切换线性模组滑块与L形的垂直转轴固定板的一面连接，L形的垂直转轴固定板的另一面上穿设有垂直转轴驱动电机；垂直转轴驱动电机设有的垂直转轴与L形的水平转轴固定板的一面连接，L形的水平转轴固定板的另一面上穿设有水平转轴驱动电机，水平转轴驱动电机设有的水平转轴与喷头连接。
7.如权利要求6所述的一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置，其特征在于：所述材料挤出打印装置包括纤维打印模块、树脂打印模块和材料固定模块；所述纤维打印模块包括纤维挤出电机、纤维加热挤出单元、纤维打印喷头和散热风扇一；纤维挤出电机通过纤维加热挤出单元与纤维打印喷头连接；纤维加热挤出单元上设有散热风扇一；所述纤维打印模块与一侧的水平转轴驱动电机连接。
8.如权利要求7所述的一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置，其特征在于：所述树脂打印模块包括树脂挤出电机、树脂加热挤出单元、树脂打印喷头和散热风扇二；树脂挤出电机通过树脂加热挤出单元与树脂打印喷头连接；树脂加热挤出单元上设有散热风扇一；所述的树脂打印模块与另一侧的水平转轴驱动电机连接。
9.如权利要求8所述的一种回转类曲面结构复合材料增材制造装置，其特征在于：所述材料固定模块包括纤维材料盘、树脂材料盘和材料盘旋转轴，所述纤维材料盘和树脂材料盘中设有用于方便放料的材料盘旋转轴，所述纤维材料盘和树脂材料盘设于所述装置框架结构的水平线性模组上。
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