CN112172147B - 一种连续纤维增强材料的3d打印头及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续纤维增强材料的3D打印头及使用方法，涉及熔融沉积技术领域，其包括基架以及设置在所述基架上的送料机构、打印喷嘴和剪切机构，其中，所述打印喷嘴包括喉管、加热管和喷嘴，所述喉管具有沿长度方向的第一腔体，所述喷嘴连接在所述喉管的下端，所述加热管套设在所述喉管和所述喷嘴的外壁，所述第一腔体与所述喷嘴的喷嘴出料口连通，所述剪切机构包括动力件和摆球，所述摆球设置在所述第一腔体与所述喷嘴出料口之间且所述摆球具有与所述第一腔体连通的第二腔体，所述动力件一端连接在所述摆球上，另一端连接在所述基架上；所述动力件用于驱动所述摆球转动一定角度，使得所述摆球在所述第一工作状态和所述第二工作状态之间切换。

Description

一种连续纤维增强材料的3D打印头及使用方法

技术领域

本发明涉及熔融沉积技术领域，具体涉及一种连续纤维增强材料的3D打印头及使用方法

背景技术

连续纤维复合材料具有高模量、高强度、低比重、耐磨损等优异特性，在航空航天、国防军工以及民用工业等领域有着重要的应用前景。传统的连续纤维复合材料成型工艺有热压成型、RTM成型、缠绕成型、拉挤成型、层压成型等，对推动连续纤维复合材料的发展应用起到了十分重要的作用，但一直以来都存在一些缺点无法克服，例如大部分成型工艺需要专用的模具，成型过程复杂且加工成本高，很难实现复杂结构件的快速制造，大大限制了连续纤维复合材料的应用范围。近年来3D打印技术的快速发展使复杂纤维复合材料制品快速生产成为可能，3D打印技术所具有的操作简单、速度快、精度高等优点给连续纤维复合材料应用注入了新的活力。

连续纤维复合材料3D打印技术采用复合材料逐层堆叠的方法制造实体零件，其工作原理是将物理实体的计算机三维模型离散成一系列的二维层片，利用带有精密喷嘴的喷头，根据层片信息，在数字化控制驱动下，将熔覆的复合材料通过连续的逐层堆叠固化来生成三维实体。相比传统的连续纤维复合材料成型工艺，3D打印工艺过程简单，加工成本低，材料利用率高，降低了复合材料构件的制造成本，同时可实现复杂构件的一体化成形，为连续纤维复合材料构件的低成本快速制造提供了一个有效技术途径。

然而，目前针对连续纤维增强复合材料3D打印工艺的研究还处于起步阶段，仍然存在一些技术难点，如现有连续纤维增强复合材料3D打印成型过程中，对连续纤维的剪切大多依靠外部剪切装置来实现，不仅运动结构庞大，而且需要配合复杂的运动控制算法，极大限制了连续纤维复合材料3D打印的成型速度。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种连续纤维增强材料的3D打印头，通过将剪切机构设置在3D打印头内，降低3D打印头整体尺寸和重量，避免了通过外部剪切机构剪切时可能出现的对已成型件的损伤。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种连续纤维增强材料的3D打印头，包括基架，还包括设置在所述基架上的送料机构、打印喷嘴和剪切机构，

所述打印喷嘴包括喉管、加热管和喷嘴，所述喉管具有沿长度方向的第一腔体，所述喷嘴连接在所述喉管的下端，所述加热管套设在所述喉管和所述喷嘴的外壁，所述第一腔体与所述喷嘴的喷嘴出料口连通，

所述剪切机构包括动力件和摆球，所述摆球设置在所述第一腔体与所述喷嘴出料口之间且所述摆球具有与所述第一腔体连通的第二腔体，所述动力件一端连接在所述摆球上，另一端连接在所述基架上；

所述送料机构用于将第一材料递送到所述第一腔体的顶端入口，且，第一材料在所述送料机构的作用下，带动第二材料递送到所述第一腔体的顶端入口，所述第一材料和所述第二材料在所述加热管的加热下能实现充分浸润；

其中，所述摆球具有第一工作状态和第二工作状态，所述第一工作状态为所述摆球的第二腔体与所述喉管的第一腔体保持在同一轴线上，所述第二工作状态为所述摆球的第二腔体与所述喉管的第一腔体倾斜设定的角度，所述动力件用于驱动所述摆球转动一定角度，使得所述摆球在所述第一工作状态和所述第二工作状态之间切换。

如上所述的连续纤维增强材料的3D打印头，进一步地，所述基架至少具有第一平面板和第二平面板，两平面板至少有一边相连接且两平面板沿该连接边呈直角设置，所述第一平面板上至少设置有所述送料机构，所述第二平面板上垂直连接有所述喉管，所述第二平面板与所述喉管的连接处为所述第一腔体的顶端入口，所述第一腔体的顶端入口设置在所述送料机构的正下方。

如上所述的连续纤维增强材料的3D打印头，进一步地，所述送料机构包括主动送料轮和从动送料轮，所述主动送料轮和所述从动送料轮设置于第一平面板的同一侧面，且所述主动送料轮和所述从动送料轮的转动轴心水平于所述第二平面板，所述主动送料轮和所述从动送料轮转动配合将所述第一材料垂直递送至所述喉管的第一腔体的顶端入口。

如上所述的连续纤维增强材料的3D打印头，进一步地，所述动力件包括电动推杆、万向球铰座和连杆，所述电动推杆的一端通过所述万向球铰座连接到至所述第二平面板，另一端通过所述连杆连接至所述摆球。

如上所述的连续纤维增强材料的3D打印头，进一步地，所述连杆为半环形杆，所述喷嘴开设有对称设置的第一孔和第二孔，所述摆球开设有对称设置的第三孔和第四孔，所述电动推杆杆端转动连接至半环形杆的对称点，半环形杆的两端分别穿过第一孔和第二孔连接至所述摆球的第三孔和第四孔。

如上所述的连续纤维增强材料的3D打印头，进一步地，所述第一材料为热熔性材料，所述第二材料为纤维增强材料。

如上所述的连续纤维增强材料的3D打印头，进一步地，所述喉管与所述摆球之间设置有定位套，所述定位套的下端具有与所述摆球配合的半圆槽形过料口，所述摆球活动设置在所述过料口内。

一种连续纤维增强材料的3D打印头的使用方法，所述方法用于如上所述的3D打印头，包括第一工作状态使用方法和第二工作状态使用方法，

第一工作状态使用方法具体为：当3D打印头正常挤出工作时，热熔性材料在送料机构的作用下，带动纤维增强材料向下运动进入喉管的熔融区；在熔融区内纤维增强材料与熔融态热塑性材料充分浸润后经由定位套、摆球、喷嘴上的连通孔挤出，此时定位套、摆球、喷嘴上的连通孔中心保持在同一轴线上；

第二工作状态使用方法具体为：当打印完成或打印过程中，3D打印头移动轨迹需要跳转时，此时需要将纤维增强材料切断以运行下一个打印工作，电动推杆杆端向下移动，带动连杆在喷嘴上第一孔和第二孔内旋转，连杆的两个端部与摆球上第三孔和第四孔固定连接，以使得摆球随着连杆的旋转而同步旋转，随着电动推杆杆端下移距离增大，旋转的摆球相对静止的喷嘴进行切线运动，摆球的下出料口与喷嘴出料口形成对纤维增强材料的剪切作用，同时随着摆球的旋转，摆球上进料口逐渐将上端纤维增强材料压紧在定位套的过料口内，实现压紧与剪切的同步进行；当摆球旋转至与竖直轴线成一定夹角时，摆球下出料口与喷嘴出料口完全错开，完成纤维增强材料的剪切，喷嘴出料口处于完全封闭状态,防止打印完成或打印过程中移动跳转时喷头自流料现象的发生。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

1、本发明结构简单、稳定可靠。仅通过摆球与喷嘴的内部相对旋转运动即可实现纤维增强材料的剪切，避免了通过外部剪切机构剪切时可能出现的对已成型件的损伤；同时由于剪切位置非常靠近喷嘴出料口处，遗留的纤维增强材料线头非常短，减少了原材料浪费的同时又大大提高了制件的打印效果。

2、材料的剪切与端部的压紧由摆球的旋转同步实现，省去了复杂的材料压紧机构，使得整个3D打印头整体尺寸、重量大大降低，有利于打印速度的提高。

3、剪切机构在完成对纤维增强材料剪切工作的同时，摆球实现对喷嘴出料口的完全密封，防止打印完成或打印过程中移动跳转时喷头流料现象的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的3D打印头的结构示意图；

图2为本发明的3D打印头在第一工作状态下的局部剖视图；

图3为图2的左视图的局部剖视图；

图4为3D打印头在第二工作状态下的局部剖视图；

图5为图4的左视图的局部剖视图；

图6为纤维增强材料同步压紧、切断细节图。

其中：1、基架；2、喉管；3、加热管；4、定位套；5、喷嘴；6、万向球铰座；7、电动推杆；8、连杆；9、摆球；10、热熔性材料；11、纤维增强材料；12、第一孔；13、第二孔；14、第三孔；15、第四孔；16、主动送料轮；17、从动送料轮；18、电机箱。

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例：

需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参见图1，图1为本发明实施例的3D打印头的结构示意图，包括基架1以及设置在基架1上的送料机构、打印喷嘴5和剪切机构，本实施例中，基架1至少具有第一平面板和第二平面板，两平面板至少有一边相连接且两平面板沿该连接边呈直角设置，在使用状态下，第一平面板垂直于水平面，第二平面板平行于水平面，第一平面板上设置有送料机构，第二平面板上垂直连接有喉管2，第二平面板与喉管2的连接处为第一腔体的顶端入口，第一腔体的顶端入口设置在送料机构的正下方。喉管2具有沿长度方向的第一腔体，加热管3套设在喉管2的外壁，喷嘴5连接在喉管2的下端，第一腔体与喷嘴5的喷嘴出料口连通，摆球9设置在第一腔体与喷嘴出料口之间且摆球9具有与第一腔体连通的第二腔体，动力件一端连接在摆球9上，另一端连接在基架1上；送料机构用于将第一材料递送到第一腔体的顶端入口，且，第一材料在送料机构的作用下，带动第二材料递送到第一腔体的顶端入口，第一材料和第二材料在加热管3的加热下能实现充分浸润；其中，摆球9具有第一工作状态和第二工作状态，第一工作状态为摆球9的第二腔体与喉管2的第一腔体保持在同一轴线上，第二工作状态为摆球9的第二腔体与喉管2的第一腔体倾斜设定的角度，动力件用于驱动摆球9转动一定角度，使得摆球9在第一工作状态和第二工作状态之间切换。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，送料机构包括主动送料轮16和从动送料轮17，主动送料轮16和从动送料轮17设置于第一平面板的同一侧面，另一侧面则是主动送料轮16的电机箱18，且主动送料轮16和从动送料轮17的转动轴心水平于第二平面板，主动送料轮16和从动送料轮17转动配合将第一材料垂直递送至喉管2的第一腔体的顶端入口。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，动力件包括电动推杆7、万向球铰座6和连杆8，电动推杆7的一端通过万向球铰座6连接到至第二平面板，另一端通过连杆8连接至摆球9。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，连杆8为半环形杆，喷嘴5开设有对称设置的第一孔12和第二孔13，摆球9开设有对称设置的第三孔14和第四孔15，电动推杆7杆端转动连接至半环形杆的对称点，半环形杆的两端分别穿过第一孔12和第二孔13连接至摆球9的第三孔14和第四孔15。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，第一材料为热熔性材料10，第二材料为纤维增强材料11。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，喉管2与摆球9之间设置有定位套4，定位套4的下端具有与摆球9配合的半圆槽形过料口，摆球9活动设置在过料口内。

参见图2、图3，图2为本发明的3D打印头在第一工作状态下的局部剖视图；图3为图2的左视图的局部剖视图。第一工作状态使用方法具体为：当3D打印头正常挤出工作时，热熔性材料10在送料机构的作用下，带动纤维增强材料11向下运动进入喉管2的熔融区；在熔融区内纤维增强材料11与熔融态热塑性材料充分浸润后经由定位套4、摆球9、喷嘴5上的连通孔挤出，此时定位套4、摆球9、喷嘴5上的连通孔中心保持在同一轴线上。

参见图4-图6，图4为3D打印头在第二工作状态下的局部剖视图，图5为图4的左视图的局部剖视图；图6为纤维增强材料同步压紧、切断细节图。第二工作状态使用方法具体为：当打印完成或打印过程中，3D打印头移动轨迹需要跳转时，此时需要将纤维增强材料11切断以运行下一个打印工作，电动推杆7杆端向下移动，带动连杆8在喷嘴5上第一孔12和第二孔13内旋转，连杆8的两个端部与摆球9上第三孔14和第四孔15固定连接，以使得摆球9随着连杆8的旋转而同步旋转，随着电动推杆7杆端下移距离增大，旋转的摆球9相对静止的喷嘴5进行切线运动，摆球9的下出料口与喷嘴出料口形成对纤维增强材料11的剪切作用，同时随着摆球9的旋转，摆球9上进料口逐渐将上端纤维增强材料11压紧在定位套4的过料口内，实现压紧与剪切的同步进行；当摆球9旋转至与竖直轴线成一定夹角时，摆球9下出料口与喷嘴出料口完全错开，完成纤维增强材料11的剪切，喷嘴出料口处于完全封闭状态,,防止打印完成或打印过程中移动跳转时喷头自流料现象的发生。

本发明结构紧凑、稳定可靠。仅通过摆球9与喷嘴5的内部相对旋转运动即可实现纤维增强材料11的剪切，避免了通过外部剪切机构剪切时可能出现的对已成型件的损伤；同时由于剪切位置非常靠近喷嘴出料口处，遗留的纤维增强材料11线头非常短，减少了原材料浪费的同时又大大提高了制件的打印效果。材料的剪切与端部的压紧由摆球9的旋转同步实现，省去了复杂的材料压紧机构，使得整个3D打印头整体尺寸、重量大大降低，有利于打印速度的提高。剪切机构在完成对纤维增强材料11剪切工作的同时，摆球9实现对喷嘴出料口的完全密封，防止打印完成或打印过程中移动跳转时喷头流料现象的发生。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种连续纤维增强材料的3D打印头的使用方法，所述方法用于一种连续纤维增强材料的3D打印头，所述3D打印头包括基架，其特征在于，还包括设置在所述基架上的送料机构、打印喷嘴和剪切机构，

所述打印喷嘴包括喉管、加热管和喷嘴，所述喉管具有沿长度方向的第一腔体，所述喷嘴连接在所述喉管的下端，所述加热管套设在所述喉管和所述喷嘴的外壁，所述第一腔体与所述喷嘴的喷嘴出料口连通，

所述剪切机构包括动力件和摆球，所述摆球设置在所述第一腔体与所述喷嘴出料口之间且所述摆球具有与所述第一腔体连通的第二腔体，所述动力件一端连接在所述摆球上，另一端连接在所述基架上；

所述送料机构用于将第一材料递送到所述第一腔体的顶端入口，且，第一材料在所述送料机构的作用下，带动第二材料递送到所述第一腔体的顶端入口，所述第一材料和所述第二材料在所述加热管的加热下能实现充分浸润；

其中，所述摆球具有第一工作状态和第二工作状态，所述第一工作状态为所述摆球的第二腔体与所述喉管的第一腔体保持在同一轴线上，所述第二工作状态为所述摆球的第二腔体与所述喉管的第一腔体倾斜设定的角度，所述动力件用于驱动所述摆球转动一定角度，使得所述摆球在所述第一工作状态和所述第二工作状态之间切换；

所述基架至少具有第一平面板和第二平面板，两平面板至少有一边相连接且两平面板沿该连接边呈直角设置，所述第一平面板上至少设置有所述送料机构，所述第二平面板上垂直连接有所述喉管，所述第二平面板与所述喉管的连接处为所述第一腔体的顶端入口，所述第一腔体的顶端入口设置在所述送料机构的正下方；

所述送料机构包括主动送料轮和从动送料轮，所述主动送料轮和所述从动送料轮设置于第一平面板的同一侧面，且所述主动送料轮和所述从动送料轮的转动轴心水平于所述第二平面板，所述主动送料轮和所述从动送料轮转动配合将所述第一材料垂直递送至所述喉管的第一腔体的顶端入口；

所述方法包括第一工作状态使用方法和第二工作状态使用方法，

第一工作状态使用方法具体为：当3D打印头正常挤出工作时，热熔性材料在送料机构的作用下，带动纤维增强材料向下运动进入喉管的熔融区；在熔融区内纤维增强材料与熔融态热塑性材料充分浸润后经由定位套、摆球、喷嘴上的连通孔挤出，此时定位套、摆球、喷嘴上的连通孔中心保持在同一轴线上；

第二工作状态使用方法具体为：当打印完成或打印过程中，3D打印头移动轨迹需要跳转时，此时需要将纤维增强材料切断以运行下一个打印工作，电动推杆杆端向下移动，带动连杆在喷嘴上第一孔和第二孔内旋转，连杆的两个端部与摆球上第三孔和第四孔固定连接，以使得摆球随着连杆的旋转而同步旋转，随着电动推杆杆端下移距离增大，旋转的摆球相对静止的喷嘴进行切线运动，摆球的下出料口与喷嘴出料口形成对纤维增强材料的剪切作用，同时随着摆球的旋转，摆球上进料口逐渐将上端纤维增强材料压紧在定位套的过料口内，实现压紧与剪切的同步进行；当摆球旋转至与竖直轴线成一定夹角时，摆球下出料口与喷嘴出料口完全错开，完成纤维增强材料的剪切，喷嘴出料口处于完全封闭状态,防止打印完成或打印过程中移动跳转时喷头自流料现象的发生。

2.根据权利要求1所述的连续纤维增强材料的3D打印头的使用方法，其特征在于，所述动力件包括电动推杆、万向球铰座和连杆，所述电动推杆的一端通过所述万向球铰座连接至所述第二平面板，另一端通过所述连杆连接至所述摆球。

3.根据权利要求2所述的连续纤维增强材料的3D打印头的使用方法，其特征在于，所述连杆为半环形杆，所述喷嘴开设有对称设置的第一孔和第二孔，所述摆球开设有对称设置的第三孔和第四孔，所述电动推杆杆端转动连接至半环形杆的对称点，半环形杆的两端分别穿过第一孔和第二孔连接至所述摆球的第三孔和第四孔。

4.根据权利要求3所述的连续纤维增强材料的3D打印头的使用方法，其特征在于，所述第一材料为热熔性材料，所述第二材料为纤维增强材料。

5.根据权利要求4所述的连续纤维增强材料的3D打印头的使用方法，其特征在于，所述喉管与所述摆球之间设置有定位套，所述定位套的下端具有与所述摆球配合的半圆槽形过料口，所述摆球活动设置在所述过料口内。

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